哈工大全媒体（阚思邈 林智滢/文 林智滢/图）7月31日，我校生命科学和医学学部/生命科学中心黄志伟教授团队在细菌逆转录子抗噬菌体防御系统的活性调控机制方面取得重要进展，研究成果以《细菌逆转录子Ec78抗噬菌体防御系统的双重抑制机制》（Dual-inhibitory mechanism of the bacterial retron Ec78 antiphage defense system）为题发表在《美国科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America）。该研究通过生物化学和结构生物学分析，揭示了ATP/ADP等核苷酸分子的结合诱导PtuAB效应蛋白寡聚化，从而别构调控其核酸酶活性，阐明了逆转录子Ec78系统精确调控效应蛋白活性以快速响应噬菌体感染的新机制。
逆转录子（Retron）是原核生物的免疫防御模块，通过流产感染策略保护细菌免受噬菌体感染。Retron Ec78系统采用双组分效应蛋白PtuAB来执行防御，其分别编码一个ATP水解酶（ATPase）和一个HNH核酸内切酶。近期研究表明，Retron Ec78系统在感知噬菌体入侵后，释放效应复合物PtuAB特异性降解宿主tRNA，介导被感染的宿主细胞死亡，从而保护细菌群体。然而，调控PtuAB效应复合物活性的分子机制，特别是效应蛋白中ATPase结构域在活性调控中的作用仍然未知。
为阐明Retron Ec78系统抗噬菌体的生化机制，团队首先验证了PtuAB效应复合物作为“毒素”元件特异性切割宿主tRNATyr，而RT-msDNA作为“抗毒素”元件中和PtuAB的毒性。随后的生化实验表明ATP/ADP等核苷酸分子与PtuA的核苷酸结合结构域（NBD）结合触发PtuAB复合物形成抑制性四聚体，抑制其核酸酶活性；而RT-msDNA抗毒素元件与PtuAB结合后可稳定这一抑制性聚合状态，并刺激ATP水解以加速ATP/ADP分子的释放，从而快速激活效应蛋白（图1）。
图1 ATP结合触发PtuAB复合物形成抑制性四聚体
团队解析了完整Retron Ec78复合物的冷冻电镜结构，其中RT-msDNA、PtuA和PtuB以1：4：2的化学计量比结合形成稳定复合物，并观察到核苷酸分子以不对称的方式结合在PtuA的NBD中：PtuAI结合两个ATP分子，而PtuAII仅结合一个ADP分子（图2）。进一步结构分析显示，ATP/ADP分子的释放会引发PtuA中NBD的构象重排，包括一个关键的β-环-β（βLβ）基序向下位移，以及核苷酸结合口袋的开放，从而破坏四聚体界面。解离的PtuAB效应复合物的冷冻电镜结构分析也展示出同样的构象重排，结构与生化分析显示βLβ基序的下移会削弱PtuA-PtuB相互作用，从而别构调控PtuB的核酸酶活性。
图2 Retron Ec78复合物的冷冻电镜结构及核苷酸释放引发的NBD构象变化
综上，本研究提出了Retron Ec78系统的双重抑制模型，即ATP/ADP依赖的四聚化与RT-msDNA复合物协同作用，使PtuAB保持自抑制状态。核苷酸的释放以及RT-msDNA的解离会破坏四聚体稳定性，并通过以βLβ为中心的变构机制激活PtuB介导的tRNA切割（图3）。本研究阐明了Retron Ec78系统的复杂调控机制，为深入理解病原与宿主相互作用的动态原理提供了深刻见解。
图3 Retron Ec78系统抗噬菌体机制模型
黄志伟教授为论文通讯作者，生命科学和医学学部博士生林智滢、郭明慧副研究员、博士生卢泽彬和朱玉威研究员为论文并列第一作者。本项目受到国家自然科学基金、黑龙江省重点研发计划、新基石研究员项目等资助。
论文链接：www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2610082123
