Nat Commun :卫涛涛研究组合作揭示Gabija复合物抗噬菌体侵染的分子机理

图1 Gabija复合物八聚体结构（Credit: Nature Communications）

Gabija复合物是由四个GajA蛋白和四个GajB蛋白组成的八聚体（图 1）。GajA蛋白首先形成四聚体，构筑Gabija复合物核心组件；四个GajB蛋白分别以单体的形式结合在复合物的外周。大肠杆菌抗噬菌体侵染实验证明，在细菌中单独表达GajA蛋白或GajB蛋白均无法抵抗噬菌体的入侵，而破坏GajA蛋白和GajB蛋白的相互作用界面也明显减弱Gabija复合物的抗噬菌体功能，提示4:4 组装的GajA/B复合物对抵御噬菌体至关重要。

该研究还发现Gabija复合物具有序列特异性的DNA内切酶活性，并更倾向于选择环状DNA作为底物，且其内切酶活性对核苷酸浓度的响应比单独的GajA蛋白更敏感。GajB蛋白中ATP酶结构域关键位点的突变能够解除核苷酸对于Gabija复合物DNA内切酶活性的抑制，提示GajB可作为细胞能量状态的感受器，通过响应胞内核苷酸的浓度，精确调节GajA蛋白的核酸酶活性。基于冷冻电镜结构解析及生化实验，该研究提出了Gabija免疫系统发挥抗病毒作用的模型：在正常生理状态下，细胞内的NTP和dNTP浓度较高，抑制了Gabija复合物的核酸内切酶活性；而在噬菌体入侵、病毒DNA高强度复制和转录时，细胞内的NTP和dNTP耗竭，迅速激活Gabija复合物，该复合物首先切割环状DNA以抑制噬菌体DNA复制，进而阻断噬菌体扩增。

该项研究被Nature Communications编辑遴选为Featured Article，并作为Editors’ Highlights推荐。在该项研究投稿及修稿期间，哈佛大学Philip Kranzusch团队向bioRxiv 、俄亥俄州立大学的Tianmin Fu团队向Research Square提交了预印本，分别独立报道了Gabija复合物的结构，其中Philip Kranzusch的工作于2024年1月11日在Nature以“加速预览”的形式发表。这些工作共同揭示了Gabija系统感知噬菌体入侵的分子机制及其切割DNA底物的偏好选择，并为探索宿主抗噬菌体免疫及噬菌体免疫逃逸的“军备竞赛”提供了新的研究方向。此外，Gabija系统也有望为分子生物学工具酶的研发提供重要的结构和生化基础。