细菌与病毒中tenpIN家族III型毒素-抗毒素系统的生物信息学探索及其结构功能特征解析

本研究通过生物信息学方法系统鉴定了700余个tenpIN家族III型TA系统（Toxin-Antitoxin），揭示了其毒素TenpN的保守核心结构与延伸特征，以及非典型RNA抗毒素tenpI的假结形成能力。该研究填补了tenpIN系统在ESKAPE病原体和病毒中的分布认知空白，为抗噬菌体防御机制和新型抗菌靶点开发提供理论依据。

　　

在微生物与病毒的军备竞赛中，毒素-抗毒素系统（TA）如同隐藏的分子武器库，其中III型TA系统以其独特的RNA-蛋白互作机制成为研究热点。尽管toxIN和cptIN家族已被广泛解析，但tenpIN家族长期处于研究盲区——此前仅发现25个细菌序列，其结构特征与病毒分布更是一片空白。这一认知缺口严重限制了人们对TA系统进化多样性及其在病原体适应性中作用的深入理解。

印度科学研究所分子生物物理单元的研究团队通过大规模生物信息学挖掘，在《Scientific Reports》发表的研究实现了三大突破：首先，将tenpIN家族的已知序列从25个扩展至722个，覆盖从革兰氏阳性菌到噬菌体的广泛物种；其次，首次揭示病毒基因组携带tenpIN系统的现象，暗示其在噬菌体-宿主博弈中的潜在作用；最后，通过AlphaFold2预测发现TenpN毒素虽具有可变N/C端延伸，但核心结构高度保守，而tenpI抗毒素的非完美重复序列仍能形成假结结构，挑战了传统TA系统的认知范式。

研究采用多序列比对鉴定保守基序，结合ARNold、iTER-pseKNC等工具预测启动子/终止子，通过Tandem Repeat Finder和手动校正分析RNA抗毒素重复单元，并运用AlphaFold2进行三维结构建模。关键样本包括ESKAPE病原体、大肠杆菌菌株及病毒来源的tenpIN系统。

TenpIN TA系统在微生物界广泛分布
通过11个种子序列的迭代搜索，研究在2,000多种生物中鉴定出722个非冗余TenpN同源物，其中285个已被InterPro数据库标注。这些序列主要分布于厚壁菌门（54%）和γ-变形菌门，且在质粒和染色体上均有发现。值得注意的是，42个病毒tenpN的发现打破了III型TA系统仅存在于宿主的传统认知，包括感染链球菌的Javan 10等烈性噬菌体。

ESKAPE病原体中的tenpIN操纵子特征
在金黄色葡萄球菌等耐药病原体中，tenpI抗毒素呈现两种进化策略：近乎完美的重复（如金黄色葡萄球菌17LX_2_54株）或差异达35%的非相同重复（如肺炎克雷伯菌RHBSTW-0092株）。尽管序列变异显著，所有tenpI均能形成含A-rich区域的假结结构，暗示其通过A-minor相互作用稳定RNA三级结构。TenpN毒素的AlphaFold2模型显示，绝对保守的D28、R36等残基可能构成活性位点，而ConSurf分析证实这些残基在溶剂暴露区域高度保守。

大肠杆菌tenpIN的亚型分化
24个大肠杆菌tenpN可分为4个亚群，其操纵子结构呈现梯度变异：最大亚群（Cluster 1）含非相同抗毒素重复，而Cluster 2保留典型串联重复特征但含"UUGU"连接序列。所有亚群均保留假结形成所需的stem 1和stem 2基序，但5'/3'端单链区长度变异显著，可能影响RNA-蛋白互作特异性。

病毒tenpIN的简化设计
病毒tenpIN展现出基因组精简的进化策略——42个系统中仅3个含完美重复，多数通过68-198 nt的单一功能区实现抗毒素功能。研究推测噬菌体可能通过截短版tenpI实现毒素中和，这与细菌中需多重复单元的传统机制形成鲜明对比。

该研究建立了首个tenpIN家族的系统性特征图谱，其核心发现在于：① TenpN毒素通过保守的kinked helix结构域维持功能，而N/C端延伸可能调控寡聚化；② tenpI抗毒素通过非完美重复实现结构可塑性，拓展了TA系统的分子设计原则；③ 病毒tenpIN的发现为理解宿主-噬菌体共进化提供新视角。这些成果不仅为开发针对ESKAPE病原体的新型抗菌策略提供靶点，更揭示了RNA-蛋白互作在微生物适应性进化中的惊人多样性。