细菌和古细菌经常受到病毒和其他移动遗传元件的攻击,并依靠专用的抗病毒防御系统(如限制性内切核酸酶和CRISPR)生存。病毒种类繁多,表明防御系统的类型比目前已知的要多。
2020年8月28日,博德研究所张锋团队在Science 在线发表题为“Diverse enzymatic activities mediate antiviral immunity in prokaryotes”的研究论文,该研究通过系统的防御基因预测和异源重组,发现29种广泛的抗病毒基因盒,共同存在于32%的所有已测序细菌和古细菌基因组中,它们介导了针对特定噬菌体的保护。
这些系统结合了以前没有参与抗病毒防御的酶促活性,包括RNA编辑和卫星DNA合成逆转录。 此外,该研究在计算上预测了仍有待鉴定的各种其他推定防御基因。这些结果突出了微生物对病毒使用的大量分子功能。
该研究对于理解自然微生物种群中的抗病毒抗性和宿主病毒相互作用以及技术应用(例如开发抗菌治疗剂,核酸编辑,分子检测和靶向细胞破坏)具有广泛的意义。

细菌和古细菌病毒是地球上数量最多,甚至最多样化的生物实体。为了抵抗病毒的频繁和多样的攻击,原核生物拥有多种抗病毒防御系统。其中包括自适应免疫系统CRISPR-Cas,它通过记忆过去的感染事件来提供免疫;以及各种先天免疫系统,例如靶向病毒DNA中特定的预定序列的限制性修饰(RM)系统;以及在病毒感染后诱导细胞休眠或死亡的流产感染(Abi)系统;以及其他机制尚未阐明的系统。
抗病毒防御系统的复杂程度从单个小蛋白(例如某些类型的Abi系统)到10种或更多种协同作用的蛋白(例如I型和III型CRISPR-Cas系统)不等。相反,病毒已经发展出应对许多防御系统的策略,包括抗CRISPR和抗限制性蛋白。鉴于病毒种类繁多,以及它们与防御系统共同进化的复杂模式,可以预期存在比目前已知的机制更多的具有多种机制的防御系统。


通过系统的防御基因预测和异源重组,在这里发现29种广泛的抗病毒基因盒,共同存在于32%的所有已测序细菌和古细菌基因组中,它们介导了针对特定噬菌体的保护。这些系统结合了以前没有参与抗病毒防御的酶促活性,包括RNA编辑和卫星DNA合成逆转录。 


该研究确定了一个由腺苷三磷酸酶(ATPase)(〜900个残基)和一个对dsDNA噬菌体T2,T3,T4和T5有活性的发散的腺苷脱氨酶(〜900个残基)组成的基因盒蛋白家族。由于脱氨酶活性以前并未涉及抗病毒防御,因此该研究将重点放在该系统上以进行进一步研究。该系统出现在不同的防御环境中,并形成三个亚型。在大多数情况下,它仅由ATPase和脱氨酶组成,但某些变体还包括小的膜蛋白,即SLATT结构域或VI-B CRISPR型辅助蛋白Csx27。脱氨酶的ATPase Walker B基序或假定的与二价金属阳离子结合的HxH基序中的突变取消了防御活性。仅当防御系统和噬菌体同时存在时,RNA编辑才会发生。ATPase或脱氨酶活性位点的突变使RNA编辑功能消失,并且未检测到DNA编辑。


此外,该研究在计算上预测了仍有待鉴定的各种其他推定防御基因。这些结果突出了微生物对病毒使用的大量分子功能。该研究对于理解自然微生物种群中的抗病毒抗性和宿主病毒相互作用以及技术应用(例如开发抗菌治疗剂,核酸编辑,分子检测和靶向细胞破坏)具有广泛的意义。

来源:iNature

参考消息:
https://science.sciencemag.org/content/369/6507/1077