美国俄亥俄州的研究揭示了细菌针对噬菌体的防御机制

美国俄亥俄州的研究揭示了细菌针对噬菌体的防御机制

细菌成功的众多秘密之一是它们能够防御噬菌体病毒，噬菌体感染细菌并利用其细胞机制复制自身。

最近技术的进步使得识别这些系统中涉及的蛋白质成为可能，但科学家们仍在更深入地研究这些蛋白质的功能。

在一项新的研究中，俄亥俄州立大学的一个团队报告了最常见的抗噬菌体系统之一（来自称为 Gabija 的蛋白质家族）的分子组成，估计地球上至少 8.5% 到 18% 的细菌物种都使用该系统。

研究人员发现一种蛋白质似乎具有抵抗噬菌体的能力。然而，当它与伙伴蛋白结合时，产生的复合物非常擅长切割入侵噬菌体的基因组，使其无法复制。

我们假设这两种蛋白质必须形成复合物才能在噬菌体预防中发挥作用。但我们也相信单独的一种蛋白质就具有一定的抗噬菌体功能。 第二种蛋白质的完整作用需要进一步研究。”

张飞沉，该研究的共同主要作者，俄亥俄州立大学医学院生物化学和药理学博士后研究员

研究人员表示，这些结果有助于对微生物进化策略的科学理解，有一天可能会转化为生物医学应用。

沉和共同主要作者研究生杨晓媛在主要作者、俄亥俄州立大学生物化学和药理学助理教授付天民的实验室工作。

该研究于 4 月 16 日发表自然的结构和分子生物学。

组成该防御系统的两种蛋白质称为 Gabija A 和 Gabija B，或简称为 GajA 和 GajB。

研究人员使用冷冻电子显微镜分别确定了 GajA 和 GajB 的生化结构，以及所谓的超分子复合物 GajAB，当两者结合成由每种蛋白质的四个分子组成的簇时形成。

在实验中蜡样芽孢杆菌以细菌为例，研究人员观察了噬菌体存在下复合物的活性，以深入了解防御系统的工作原理。

尽管单独的 GajA 表现出可以使噬菌体 DNA 失活的活性迹象，但它与 GajB 形成的复合物在确保噬菌体无法接管细菌细胞方面更有效。

“这就是神秘的部分，”杨说。 “单独的 GajA 就足以切割噬菌体核心，但当我们将它们一起孵育时，它也会与 GajB 形成复合物。我们的假设是，GajA 识别噬菌体的基因组序列，但 GajB 增强了这种识别并帮助切割噬菌体 DNA。” “

Shen 说，复合物的大尺寸和细长构型使得很难全面了解 GajB 与 GajA 结合时的功能贡献，因此研究小组必须对尚未得到证实的蛋白质作用做出一些假设。

Shen 说：“我们所知道的是，GajB 有助于增加 GajA 活性，但我们还不知道它是如何发挥作用的，因为我们在复合体中只看到了大约 50% 的活性。”

他们的假设之一是，GajB 可以影响细胞环境中能源、核苷酸 ATP（三磷酸腺苷）的浓度，具体来说，是通过在检测到噬菌体的存在后降低 ATP 来影响。 Yang 说，这将产生双重效应：扩大 GajA 的噬菌体 DNA 失活活性，并窃取噬菌体开始复制所需的能量。

关于细菌抗噬菌体防御系统还有更多需要了解，但该团队已经表明，阻止病毒复制并不是细菌武器库中的唯一武器。 在之前的一项研究中，Fu、Shen、Yang 及其同事描述了一种不同的防御策略：细菌自行编程死亡，而不是让噬菌体接管一个群落。

这项工作得到了国立普通医学科学研究所的支持。

其他合著者包括来自俄亥俄州立大学的 Jiale Xie、Jacelyn Greenwald、Ila Marathe、Qingpeng Lin 和 Vicki Wysocki 以及来自佛罗里达大学的 Wenjun Xie。

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