​Nat Commun：欧阳松应教授团队揭示Sir2-HerA系统在致病菌抗噬菌体免疫中的激活机制

Sir2蛋白家族是一类广泛存在于细菌、古菌以及高等真核生物中的保守蛋白家族。在真核生物体内，Sir2蛋白利用NAD⁺作为辅助因子，发挥蛋白去乙酰化酶或ADP-核糖基转移酶功能。而在原核生物多个抗噬菌体防御系统，如欧阳松应团队此前发表的SPARSA系统（Nat Communi 10.1038/s41467-023-44660-7）和Sir2-HerA等都包含Sir2结构域蛋白。尽管最近鉴定了多种Sir2相关的抗噬菌体系统，但Sir2作为NAD⁺水解酶的活性如何被激活仍不清楚。

在本研究中，研究人员选取了Staphylococcus aureus 菌株中Sir2-HerA系统作为研究对象，首先通过Pull-Down实验发现Sir2和HerA之间存在相互作用，并在体外实验中发现单独Sir2不具有NAD⁺酶活性，但在与HerA形成复合物后，Sir2蛋白的NAD⁺水解酶活性被激活，表现出很强的水解NAD⁺能力。然而，在未受到噬菌体感染时，Sir2的酶活性会受到细胞内生理浓度ATP的抑制。

为了解释HerA如何激活Sir2的NAD+水解酶活性，研究人员进一步利用冷冻电镜技术（Cryo-EM）解析了Sir2-HerA的复合物结合ADPR的结构（分辨率为2.81Å）。该复合物是由12个 Sir2分子与6个 HerA分子组成超大复合物。通过分析复合物结构，研究人员发现Sir2蛋白排列成两层六元环结构，但是仅在与HerA蛋白直接接触的Sir2六元环中观察到了NAD⁺的水解产物ADPR的密度，ADPR位于Sir2蛋白的小结构域和Rossmann结构域之间，这是Sir2蛋白与NAD⁺结合的典型位点，而在另一层六元环的Sir2分子中并未发现ADPR的存在。

图1 Sir2-HerA的冷冻电镜结构及HerA的结合激活Sir2的结构基础（Credit: Nature Communications）

为了探究Sir2酶活的激活机制，研究人员将结合ADPR的Sir2结构与下层未结合ADPR的Sir2结构，以及通过AlphaFold预测的Sir2模型进行详细比对，结果发现与HerA直接接触的Sir2酶活位点的上方的α15螺旋变为了一个loop，并向远离ADPR的方向弯曲，这种结构变化增大了Sir2 NAD⁺酶活口袋。研究人员推测，这种构象变化可能使NAD⁺可以接近Sir2的酶活中心，从而被水解。

为了验证上述猜想，研究人员利用BLI技术发现，单独的Sir2并不结合NAD⁺，而Sir2-HerA的突变体具有结合NAD⁺的能力。此外，通过删除Sir2单体的α15螺旋并进行体外NAD⁺酶活实验，发现截短后的Sir2蛋白单体不需要HerA的结合即可表现出NAD⁺酶活性，这些结果表明，α15螺旋在激活Sir2-HerA系统的激活过程中发挥了重要作用。

综上所述，研究人员提出了Sir2-HerA系统复合物组装和别构激活模型，详细解释了Sir2-HerA系统在抵御噬菌体入侵过程中的分子机制。这些发现不仅加深了对原核生物Sir2-HerA防御系统的理解，也为进一步研究微生物抗噬菌体的免疫系统提供了理论基础。