细菌ADP-核糖基环化酶毒素Tac1通过快速耗竭NAD(P)+抑制细菌生长的分子机制研究

本研究首次发现细菌ADP-核糖基环化酶/cADPr水解酶（ARC）家族成员Tac1可作为VIIb型分泌系统（T7SSb）相关抗菌毒素，通过1.4 ?晶体结构解析和生化实验证实其通过cADPr中间体快速水解NAD(P)+（12,000分子/分钟），并鉴定出非毒性ARC同源酶Nac1可生成cADPr信号分子，为细菌代谢调控和种间竞争提供新见解。

　　

在微生物世界的隐秘战争中，细菌进化出了精密的"分子武器库"来争夺生存资源。其中，通过分泌系统投递的抗菌毒素（polymorphic toxins）是细菌间对抗的核心武器，它们能精准破坏竞争对手的必需代谢物。尽管NAD⁺和NADP⁺作为电子载体对细胞存活至关重要，且已知NAD(P)⁺糖水解酶（glycohydrolase）类毒素可通过直接水解这些分子实施攻击，但细菌中是否存在其他机制靶向NAD(P)⁺仍属未知。更引人深思的是，在真核生物中，ADP-核糖基环化酶/cADPr水解酶（ARC）家族能将NAD⁺转化为第二信使cADPr（cyclic ADP-ribose）调控钙信号，但该家族在细菌中的功能长期未被探索。

为解答这些科学问题，国外研究团队在《Journal of Biological Chemistry》发表重要成果。研究人员通过生物信息学分析发现链球菌（Streptococcus parasanguinis）的VIIb型分泌系统（T7SSb）基因簇中编码一个含ARC结构域的蛋白，命名为Tac1（Toxic ADP-ribosyl cyclase 1）。通过异源表达实验证实其C端ARC结构域具有细菌生长抑制活性，且该毒性可被相邻的Imm74超家族免疫蛋白Tci1中和。

研究采用X射线晶体学（分辨率1.4 ?）、高效液相色谱-质谱联用（HPLC-MS）和定点突变等技术手段。关键发现包括：1）Tac1能以12,000分子/分钟的超高速率水解NAD(P)⁺生成线性ADP-核糖；2）1.4 ?晶体结构显示其与人类CD38酶核心催化折叠高度相似（Cα RMSD 0.97 ?）；3）关键催化残基Glu573（对应CD38的Glu226）突变完全消除活性，而Glu516突变促使cADPr中间体积累；4）生物信息学发现ARC毒素广泛存在于T7SSb、VI型分泌系统（T6SS）和接触依赖性抑制（CDI）系统；5）鉴定出非毒性ARC同源酶Nac1可产生cADPr，暗示其在细菌信号传导中的潜在作用。

研究结果部分：

1. T7SSb相关的抗菌ADP-核糖基环化酶/cADPr水解酶

   基因簇分析显示Tac1含LXG转运结构域和C端ARC结构域，下游编码Imm74家族免疫蛋白。共表达实验证实Tac1抑制大肠杆菌生长，而Tci1可部分挽救该表型。

2. ADP-核糖基环化酶毒素快速水解NAD(P)⁺

   HPLC-MS检测发现Tac1将NAD⁺和NADP⁺分别转化为ADP-核糖和ADP-核糖-2'-磷酸，且Tci1能完全抑制该活性。酶动力学显示其催化效率达12,000 min^-1，与已知NAD(P)⁺糖水解酶毒素相当。

3. 细菌ADP-核糖基环化酶的晶体结构

   1.4 ?分辨率结构揭示Tac1具有双叶结构（4α螺旋N端+4β链C端），与人类CD38催化裂隙结构高度保守，但缺少部分二级结构元件。

4. NAD(P)⁺水解通过环状中间体进行

   活性位点突变实验证实Glu573为必需催化残基，而Glu516突变体（Tac1^E516A）积累cADPr中间产物，证明其遵循与真核ARC酶相似的催化机制。

5. ADP-核糖基环化酶毒素在细菌冲突系统中的广泛分布

   基因组分析发现ARC结构域存在于T7SSb、T6SS效应蛋白（VgrG/PAAR）和CDI毒素中。值得注意的是，部分非毒性ARC同源酶（如Nac1）因缺乏Glu516类似物而主要生成cADPr。

这项研究首次揭示细菌ARC酶的双重生命：既可作为高效NAD(P)⁺水解毒素参与种间竞争，又可能通过cADPr参与细菌信号传导。结构生物学证据表明，尽管与真核ARC酶存在进化距离，细菌却独立演化出相似的催化机制。特别值得注意的是，非毒性Nac1的产生暗示cADPr可能在细菌中扮演类似第二信使的角色，这为理解微生物群体行为提供了新视角。该发现不仅拓展了对细菌"军备竞赛"分子机制的认识，也为开发新型抗菌策略提供了潜在靶点。