Nat Commun：福建师大欧阳松应教授团队揭示细菌抗噬菌体系统SPARDA的激活机制

来源：iNature 2026-01-12 09:41

通过冷冻电镜技术揭示与gRNA完全配对的tDNA可诱导SPARDA组装成纤维状结构，并且该纤维状组装导致DREN核酸酶结构域发生四聚化，从而激活其核酸酶活性。

Argonaute（Ago）蛋白是一类在生物界中广泛存在的保守蛋白家族，真核生物Ago（eAgo）由四个结构域组成：N端结构域、PAZ结构域、MID结构域和PIWI结构域，它们通过两个连接区（L1和L2）相连，并作为RNA诱导沉默复合物（RISC）的核心成分，在RNA干扰中发挥关键作用。

原核生物同样广泛存在Ago蛋白（prokaryotic Argonaute, pAgo），且其多样性更为显著。根据结构域组成，pAgo可分为长pAgo与短pAgo，其中短pAgo占比超过60%。而短pAgo仅含有MID结构域和一个催化失活的PIWI结构域，因此不具备切割靶核酸的能力。这类蛋白通常与编码TIR、Sir2、DUF3457等特征结构域的基因位于同一操纵子，形成有功能的蛋白质复合物。目前，短的pAgo介导的抗噬菌体机制研究有限。

欧阳松应团队2024年关于原核生物的SPARSA系统的研究，发现pAgo和相关效应蛋白形成一个带正电通道，而gRNA和tDNA结合在该通道，进而引发细胞内NAD+的快速耗竭导致流产感染，起到抗噬菌体感染作用（Nat Commun丨欧阳松应/龙凤/李金宇合作揭示效应蛋白SPARSA系统在细菌免疫中的激活机制）。

SPARDA（Short Prokaryotic Argonaute and DNAse/RNase-Endonuclease）是一种新型抗噬菌体系统，该系统将APAZ结构域与一个DREN核酸酶结构域融合，在识别外源核酸后，SPARDA通过DREN核酸酶结构域对多种核酸底物产生广泛的“附带”切割活性。然而，关于SPARDA的组装机制及其非特异性核酸酶活性的激活机理仍有待阐明。

近日，福建师范大学欧阳松应团队与厦门大学夏宁邵院士团队合作，在《Nature Communications》上在线发表题为Filament assembly induced by the recognition of target DNA activates the prokaryotic Argonaute SPARDA system的论文，对来自 Novosphingopyxis baekryungensis 的SPARDA 系统进行了深入研究，通过冷冻电镜技术揭示了与gRNA完全配对的tDNA可诱导SPARDA组装成纤维状结构，并且该纤维状组装导致DREN核酸酶结构域发生四聚化，从而激活其核酸酶活性。

研究首先解析了SPARDA-gRNA复合物的冷冻电镜结构（分辨率2.77 Å），发现gRNA 诱导了 SPARDA 的二聚化，由pAgo和DREN-APAZ形成二聚体。为了进一步阐明 tDNA 识别 gRNA 时 DREN 被激活的机制，团队进一步解析了SPARDA-gRNA-tDNA三元复合物的冷冻电镜结构（分辨率2.64 Å），发现gRNA和tDNA结合后，会诱导SPARDA形成纤维状结构（图1）。

研究团队进一步解析了SPARDA形成纤维状结构，发现在纤维状结构中DREN结构域会形成一个四聚体，并形成有利于底物结合的通道，从而促进核酸底物的积累和切割。他们意外的捕捉到了DREN结构域结合过量的gRNA-tDNA的状态，为理解SPARDA的底物切割机制提供了重要证据。