Nature：新研究揭示原核生物短 Argonaute 蛋白的逐步激活机制

在一项新的研究中，来自美国俄亥俄州立大学等研究机构的研究人员揭示了一种蛋白的逐步激活过程，这种蛋白在所有生命领域都有着深厚的进化历史，为利用它的功能作为生物技术工具打开了大门。相关研究结果于2023年7月26日在线发表在Nature期刊上，论文标题为“Oligomerization-mediated activation of a short prokaryotic Argonaute”。

这种蛋白属于 Argonaute 蛋白的“超家族”，先前的研究已表明它们参与了基因沉默，这是一种称为 RNA 干扰的基本过程。

这类蛋白在真核生物---植物、真菌、动物、人类和其他具有明确细胞核的生命形式---中得到了很好的描述。在没有细胞核的原核生物中，有两种 Argonaute 蛋白---长 Argonaute和短 Argonaute。长Argonaute在结构上和功能上都与真核生物中的同类物相似。与此相反，短Argonautes采用不同的结构，并执行不同于其他已被充分研究的Argonaute的功能。

这是第一项详细探究短Argonaute结构和机制的研究，有可能勾勒出应用于未来治疗目的的蓝图。

论文通讯作者、俄亥俄州立大学医学院生物化学与药理学助理教授Tianmin Fu说，“原核生物的短Argonaute占所有Argonaute的58%，目前正成为该领域的热点。我们发现的能力之一是这种蛋白在细菌触发自身死亡以避免因质粒入侵而失去对其生命周期的控制权的过程中所起的精确作用。了解这类机制是努力将高效的天然功能用于诊断和治疗的第一步。”

在这项新的研究中，这些作者重点研究了一种名为 SPARTA 的蛋白，它是一种原核生物短Argonaute蛋白，之前的其他研究已表明这种蛋白能够使多管藻海状杆菌（Maribacter polysiphoniae）在检测到质粒入侵（当外部 DNA 片段试图将自身插入细菌中改变细菌特性时）时能够设定死亡程序。

众所周知，真核生物中的Argonaute蛋白在整个激活过程中都是简单分子，只能与其他简单分子结合。它们还是 RNA 干扰的参与者，其中RNA 干扰是一种进化策略，用于抑制可能威胁细胞生存的特定基因的表达。

另一方面，SPARTA 缺乏促进 RNA 干扰所需的某些结构。虽然它一开始是一个简单的分子，就像原核生物的长Argonaute和真核生物的Argonaute一样，但是它们激活的相似性就到此为止了。

TIR结构域的序列比对。图片来自Nature, 2023, doi:10.1038/s41586-023-06456-z。

这些作者利用低温电镜确定了 SPARTA 的下一步：它与 RNA 或 DNA 结合后，会发生许多变化，最终组装成一个更大的多单位分子复合物。对该复合物的功能分析显示SPARTA的结构变化必须达到这一步，才能产生化学反应，使受威胁的细菌能够设定自己的细胞死亡程序---科学家们希望利用这种诱人的功能来保护人类健康。他们还引入了突变，以确认该过程的每一步对维持 SPARTA 的功能都至关重要。

所有这些都表明，寡聚化---将简单分子有条不紊地转化为分子复合物---是激活原核生物短Argonaute蛋白的重要组成部分。虽然蛋白的寡聚化并不罕见，但了解它在蛋白激活过程中的作用，对于了解蛋白如何与其他蛋白相互作用以及确定其功能目的至关重要。

论文第一作者、Fu实验室的博士后Zhangfei Shen说，“当我们谈论一种在所有生物内到处都有表达的蛋白时，我们知道这种蛋白本质上是重要的，即使我们还不知道它的所有具体功能。如今我们不仅知道它是寡聚化的，还知道它是如何寡聚化的，并捕捉到了它在寡聚化过程中的中间状态，我们在将这种蛋白开发成一种工具方面取得了良好进展。”

Fu实验室所设想的可能性包括设计原核生物短Argonaute蛋白，它们可能帮助细胞检测威胁，或者触发威胁健康细胞的分子，导致它们自己死亡。（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Zhangfei Shen et al. Oligomerization-mediated activation of a short prokaryotic 1 Argonaute. Nature, 2023, doi:10.1038/s41586-023-06456-z.