Sci Adv丨吴允昆/郑清炳等解析不同噬菌体蛋白调节细菌DSR2抗噬菌体防御系统NADase活性的机制
来源：生物探索 2024-08-06 10:15
本研究基于多结构与功能比较分析，破译了DSR2组装、TTP介导DSR2激活及DSAD1介导DSR2抑制的详细分子机制，提出了DSR2 NADase活性调控的模型。
噬菌体通过特异性感染宿主细菌实现自身的生长和繁殖。面对噬菌体的频繁攻击，细菌不断斗争并进化出系列复杂且精妙的防御策略。近年来，随着细菌防御岛的发现，许多新型细菌防御系统被挖掘。dsr2基因家族即是在枯草芽孢杆菌29R菌株中通过防御岛鉴定出来的，其编码的DSR2蛋白N端含有沉默信息调节因子2（SIR2）结构域【1】。一些SIR2家族蛋白可以直接消耗细菌体内NAD+引起生长停滞，从而抵御噬菌体感染【2】。枯草芽孢杆菌利用DSR2蛋白识别噬菌体SPR尾管蛋白（TTP），激活DSR2的NADase活性，保护细菌免受噬菌体的侵染。针对细菌的这种防御，噬菌体SPbeta/phi3T编码抗DSR2蛋白（DSAD1），结合DSR2并抑制其NADase活性来逃避该防御机制【3】。尽管DSR2在抗噬菌体防御中的作用已被证实，但DSR2活性调控的分子机制尚不明晰。
福建师范大学吴允昆教授团队联合厦门大学郑清炳高级工程师等在Science Advances发表了题为Structural insights into activation mechanisms on NADase of bacterial DSR2 anti-phage defense system的研究论文。该研究利用单颗粒冷冻电镜技术分别解析了apo DSR2、DSR2-TTP复合物和DSR2-DSAD1复合物的结构，并基于结构分析了DSR2 NADase活性调控的分子机制。
图 1 DSR2及其复合体冷冻电镜结构A: DSR2结构域划分; B: apo DSR2; C: DSR2-TTP; D: DSR2-DSAD1（Credit: Science Advances）
生化实验表明单体TTP蛋白，而非聚集状态的TTP，与DSR2结合形成稳定的复合物。DSR2-TTP复合体结构显示DSR2closed形成的结合口袋与TTP更适配，TTP仅与DSR2closed结合（图 1C）。结构分析结合突变及酶活实验可知单体TTP通过诱导DSR2的SIR2结构域四聚化构象变化激活其NADase活性。其中，MID具有将构象变化从CTD传递到SIR2结构域的作用，对于DSR2的NADase活性激活至关重要。相互作用实验分析显示TTP与DSR2closed产生紧密互作的同时，TTP残基K40可与相邻DSR2open残基E633产生氢键和盐桥，拉动DSR2open的α30-31 loop朝TTP的方向移动约8 Å的距离，这可能触发其向DSR2closed状态转变。
DSR2-DSAD1复合体结构表明，DSAD1特异性识别并结合DSR2open（图 1D）。由于空间位阻，DSAD1不结合DSR2closed。DSAD1不仅与DSR2open互作，也与相邻DSR2closed的CTD结构域以及MID结构域形成氢键。酶活实验表明DSAD1的存在竞争性抑制了TTP对DSR2的激活。结构叠合比对显示TTP蛋白和DSAD1蛋白不能占据同一结合口袋。通过微量热泳动实验测定并比较DSAD1和单体TTP与DSR2蛋白的亲和力，结果表明DSAD1对DSR2的亲和力大于TTP，分别为40.4 nm和654.7 nm。
基于结构综合分析及生化实验，我们提出了DSAD1抑制调控DSR2系统激活的模型，即DSAD1不仅结合DSR2open，直接占据结合口袋，将DSR2open锁定在非活性状态；还稳定相邻DSR2closed单体的MID，以阻止TTP诱导的SIR2四聚组装构象变化，别构抑制TTP对DSR2 NADase活性的激活（图 2）。
图 2 TTP和DSAD1调控DSR2活性的机制模型（Credit: Science Advances）
综上，本研究基于多结构与功能比较分析，破译了DSR2组装、TTP介导DSR2激活及DSAD1介导DSR2抑制的详细分子机制，提出了DSR2 NADase活性调控的模型，为进一步深入理解细菌免疫中SIR2依赖的NAD+耗竭机制奠定了坚实的基础。
参考文献：
1. Gao L.Y., Altae-Tran H., Böhning F., et al. Diverse enzymatic activities mediate antiviral immunity in prokaryotes[J]. Science. 2020, 369(6507):1077-1084.
2. Mariano G.,Blower T.R. Conserved domains can be found across distinct phage defence systems[J]. Mol. Microbiol. 2023, 120(1):45-53.
3. Garb J., Lopatina A., Bernheim A., et al. Multiple phage resistance systems inhibit infection via SIR2-dependent NAD(+) depletion[J]. Nat. Microbiol. 2022, 7(11):1849-1856.
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