研究发现原核Argonaute系统介导免疫响应新机制

农业微生物资源发掘与利用全国重点实验室、洪山实验室、生命科学技术学院益生菌智造创新团队韩文元教授课题组在Nature Communications杂志发表了题为“Catalytically inactive long prokaryotic Argonaute systems employ distinct effectors to confer immunity via abortive infection”的研究论文。文章报道了新型原核生物long-B Argonaute (long-B pAgo) 系统免疫功能的最新研究成果。研究表明long-B pAgo与核酸酶、Sir2家族蛋白或膜蛋白在遗传和功能上关联。其中，long-B pAgo-核酸酶系统在向导RNA的介导下识别靶标DNA，激活其关联核酸酶非特异性切割基因组DNA，杀死被入侵的细胞，通过引发流产感染以抵御外源遗传元件的入侵。该研究首次发现了一个以特异性核酸识别激活非特异性核酸降解的 pAgo 系统，为基于pAgo系统的生物技术工具开发提供了新机遇。

图1 Long-B pAgo与其关联蛋白的系统进化分析

为抵御外源遗传元件的入侵，微生物进化出了多种多样的免疫系统。例如，CRISPR/Cas系统可以通过识别并降解入侵的外源遗传元件的DNA来为宿主提供免疫保护，并在基因编辑、核酸检测等领域广泛应用。Ago蛋白作为一类可以在向导核酸介导下结合或切割靶标核酸的蛋白，近年来也得到了较多关注。真核生物Ago（eAgo）蛋白可以在向导RNA的介导下切割靶标RNA，在体内参与抵御病毒和转座子的入侵、基因表达调控等过程。相较于eAgo，pAgo具有更高的多样性。根据其结构特征和系统进化分析，pAgo可分为long-A、long-B和short pAgo三个亚家族。Long-B pAgo具有完整的Ago蛋白结构域，但其PIWI结构域的核酸酶活性缺失，仅具有向导RNA介导的靶标DNA结合活性，其功能研究尚属空白。

图2 EcAgo在识别靶标DNA后激活bAgaN的核酸酶活性

研究人员对long-B pAgo进行系统进化分析，发现了几种保守的long-B pAgo系统，其基因簇中分别编码核酸酶、Sir2家族蛋白、跨膜蛋白、VirE-N家族蛋白等（图1）。研究人员首先选取了来源于大肠杆菌CAP29菌株的long-B pAgo系统，其基因簇中编码一个long-B pAgo蛋白（EcAgo）以及一个核酸酶（bAgaN），命名为BPAN系统。研究分析了EcAgo和bAgaN的生化性质，发现EcAgo可以在5’P-RNA介导下结合靶标ssDNA；bAgaN是一种非特异性的DNase，且可以切割提取自大肠杆菌的质粒和基因组DNA。为了探究BPAN系统在体内的生理功能，研究人员在大肠杆菌模式菌株中表达BPAN系统，发现BPAN系统能够特异性识别含有CloDF13复制子的外源遗传元件，在向导RNA的指导下识别靶标DNA后激活效应蛋白bAgaN（图2），降解细胞基因组DNA，导致细胞死亡，从而清除群体中被外源遗传元件入侵的细胞，这是一种抗质粒的流产感染免疫响应。其作用模式与一些III型、V型、VI型CRISPR/Cas系统类似，意味着pAgo系统可能与CRISPR/Cas系统存在趋同进化，也表明BPAN系统具有被开发成核酸检测或其他序列特异性技术的潜力。

此外，研究还表征了另外两种较为保守的long-B pAgo系统，其基因簇中编码的关联蛋白分别为Sir2家族蛋白和跨膜蛋白。其中，long-B pAgo及其关联Sir2家族蛋白（BPAS）系统，也可以识别CloDF13复制子，通过降解细胞内的NAD+引发流产感染。Long-B pAgo及其关联膜蛋白（BPAM）系统则通过一种暂时未知的模式激活。

综上所述，本研究证明了long-B pAgo与其关联蛋白共同作用，在识别入侵核酸后激活相关效应物，引发流产感染免疫响应，从而为宿主提供免疫保护。这与之前报道的short pAgo系统，如SiAgo、SPARTA和SPARSA系统类似，表明不具有核酸酶活性的pAgo系统可能广泛的通过这种机制发挥免疫功能。