医微客 - Nature | 细菌的cGAS感应病毒RNA激活免疫反应

Nature | 细菌的cGAS感应病毒RNA激活免疫反应

临床研究

2023-12-05

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许多细菌中的抗病毒系统与后生动物的先天免疫具有结构和功能类似的同源组分，例如，基于环状寡核苷酸的抗噬菌体信号系统（CBASS）与后生动物中的环GMP-AMP合成酶（cGAS）-干扰素基因刺激因子（STING）抗病毒通路类似，CBASS是保护原核生物免受病毒（噬菌体）攻击的重要机制，通过产生环状寡核苷酸激活效应蛋白，引发被感染宿主细胞的死亡。但是病毒的环化酶如何识别噬菌体感染仍不清楚。

近日，来自美国洛克菲勒大学的Luciano A. Marraffini研究团队在Nature上发表题为Bacterial cGAS senses a viral RNA to initiate immunity的文章，发现葡萄球菌的噬菌体会产生一种结构性RNA，称为cabRNA，可以结合到CdnE03环化酶的正电表面，促进环状二核苷酸cGAMP的合成，激活CABSS免疫反应。逃逸CBASS免疫反应的噬菌体突变会导致产生一种更长形式的cabRNA，这种cabRNA不能激活CdnE03。

在不同的葡萄球菌株系中具有超过100种CBASS操纵子，研究人员在施氏葡萄球菌（Staphylococcus schleiferi）中鉴定了一种I-B型CBASS，称为Ssc-CBASS，该系统由一个双基因操纵子组成，具有一个E族3类cGAS/DncV类似的环化核苷酸转移酶（Ssc-CdnE03）和一个跨膜效应子Cap15。由于他们无法找到一个可以感染该细菌的噬菌体，于是他们将Ssc-CBASS克隆并表达在实验室株系金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）RN4220中，然后用4种不同的噬菌体感染，发现Ssc-CBASS可以抵抗其中2种噬菌体的侵染。

接下来他们想知道Ssc-CBASS是如何被噬菌体激活的，首先他们排除了操纵子的转录激活，然后他们进行了体外核苷酸合成实验，发现只有从被噬菌体感染过的细菌中提取的RNA可以被Ssc-CdnE03产生环状核苷酸产物，并发现该RNA可被定位到一段从gp40基因（编码终止酶小亚基TerS）到gp41基因（编码终止酶大亚基TerL）的400个核苷酸的区域，他们将该RNA纯化出来，进行体外实验发现它可以激活cGAMP产生，因此他们将该噬菌体RNA命名为CBASS-激活的细菌噬菌体RNA（cabRNA）。

cabRNA的电泳迁移速率比其核酸长度要大，说明存在二级结构，在cabRNA中存在一些发卡结构和双链RNA区域，并且这些二级结构对于激活Ssc-CdnE03是必需的。Ssc-CdnE03的预测结构显示其与哺乳动物的OAS1和cGAS具有一定的相似性，例如在酶的“脊椎”部分都有暴露出来的赖氨酸和精氨酸残基（K9、K13、K20和R83），由于这些保守的正电残基参与OAS1感知dsRNA，于是他们将Ssc-CdnE03的K9和K13替换成谷氨酸，发现K9E突变完全抑制了其环化酶活性以及对噬菌体的抵抗能力，而K13E突变部分抑制其活性以及免疫力，cabRNA是由Ssc-CdnE03的正电表面结合的。

为了进一步研究Ssc-CBASS激活的机制，他们用EMS诱变并分离了可以逃逸宿主防御的噬菌体突变体，发现很多突变体的突变都位于terS，突变位点位于cabRNA起始位点的上游6个核苷酸处，这些突变体并不会产生cabRNA。并且当用质粒过表达野生型TerS或cabRNA时，这些突变噬菌体的感染会被抑制。

最后为了研究cabRNA序列对于噬菌体活性的影响，他们将噬菌体中产生cabRNA的区域突变，但不影响TerS和TerL蛋白序列，这些突变的cabRNA只能诱导部分的免疫反应，其核苷酸长度也更长，但是仍然可以激活CdnE03。并且他们从不同的金黄色葡萄球菌临床株系中分离了不同的噬菌体，发现这些噬菌体会产生不同的cabRNA来激活Ssc-CBASS系统。

总的来说，这项研究揭示了先天免疫抗病毒通路激活的保守机制，真核细胞的环化酶是由长的非修饰的dsRNA激活的，该过程并不依赖于RNA序列，而原核生物的环化酶是识别特定的噬菌体产生的结构性RNA，二者之间有很多相似之处，未来的研究将会关注在cabRNA的特殊性质上，如生物合成、结构、功能，以及与环化酶之间的分子互作。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41586-023-06743-9

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