撰文 | 一隻魚

許多細菌中的抗病毒系統與後生動物的先天免疫具有結構和功能類似的同源組分，例如，基於環狀寡核苷酸的抗噬菌體信號系統（CBASS）與後生動物中的環GMP-AMP合成酶（cGAS）-干擾素基因刺激因子（STING）抗病毒通路類似，CBASS是保護原核生物免受病毒（噬菌體）攻擊的重要機制，通過產生環狀寡核苷酸激活效應蛋白，引發被感染宿主細胞的死亡。但是病毒的環化酶如何識別噬菌體感染仍不清楚。

近日，來自美國洛克菲勒大學的Luciano A. Marraffini研究團隊在Nature上發表題為Bacterial cGAS senses a viral RNA to initiate immunity的文章，發現葡萄球菌的噬菌體會產生一種結構性RNA，稱為cabRNA，可以結合到CdnE03環化酶的正電錶面，促進環狀二核苷酸cGAMP的合成，激活CABSS免疫反應。逃逸CBASS免疫反應的噬菌體突變會導致產生一種更長形式的cabRNA，這種cabRNA不能激活CdnE03。

在不同的葡萄球菌株系中具有超過100種CBASS操縱子，研究人員在施氏葡萄球菌（Staphylococcus schleiferi）中鑑定了一種I-B型CBASS，稱為Ssc-CBASS，該系統由一個雙基因操縱子組成，具有一個E族3類cGAS/DncV類似的環化核苷酸轉移酶（Ssc-CdnE03）和一個跨膜效應子Cap15。由於他們無法找到一個可以感染該細菌的噬菌體，於是他們將Ssc-CBASS克隆並表達在實驗室株系金黃色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）RN4220中，然後用4種不同的噬菌體感染，發現Ssc-CBASS可以抵抗其中2種噬菌體的侵染。

接下來他們想知道Ssc-CBASS是如何被噬菌體激活的，首先他們排除了操縱子的轉錄激活，然後他們進行了體外核苷酸合成實驗，發現只有從被噬菌體感染過的細菌中提取的RNA可以被Ssc-CdnE03產生環狀核苷酸產物，並發現該RNA可被定位到一段從gp40基因（編碼終止酶小亞基TerS）到gp41基因（編碼終止酶大亞基TerL）的400個核苷酸的區域，他們將該RNA純化出來，進行體外實驗發現它可以激活cGAMP產生，因此他們將該噬菌體RNA命名為CBASS-激活的細菌噬菌體RNA（cabRNA）。

cabRNA的電泳遷移速率比其核酸長度要大，說明存在二級結構，在cabRNA中存在一些髮卡結構和雙鏈RNA區域，並且這些二級結構對於激活Ssc-CdnE03是必需的。Ssc-CdnE03的預測結構顯示其與哺乳動物的OAS1和cGAS具有一定的相似性，例如在酶的「脊椎」部分都有暴露出來的賴氨酸和精氨酸殘基（K9、K13、K20和R83），由於這些保守的正電殘基參與OAS1感知dsRNA，於是他們將Ssc-CdnE03的K9和K13替換成穀氨酸，發現K9E突變完全抑制了其環化酶活性以及對噬菌體的抵抗能力，而K13E突變部分抑制其活性以及免疫力，cabRNA是由Ssc-CdnE03的正電錶面結合的。

為了進一步研究Ssc-CBASS激活的機制，他們用EMS誘變並分離了可以逃逸宿主防禦的噬菌體突變體，發現很多突變體的突變都位於terS，突變位點位於cabRNA起始位點的上游6個核苷酸處，這些突變體並不會產生cabRNA。並且當用質粒過表達野生型TerS或cabRNA時，這些突變噬菌體的感染會被抑制。

最後為了研究cabRNA序列對於噬菌體活性的影響，他們將噬菌體中產生cabRNA的區域突變，但不影響TerS和TerL蛋白序列，這些突變的cabRNA只能誘導部分的免疫反應，其核苷酸長度也更長，但是仍然可以激活CdnE03。並且他們從不同的金黃色葡萄球菌臨床株系中分離了不同的噬菌體，發現這些噬菌體會產生不同的cabRNA來激活Ssc-CBASS系統。

總的來說，這項研究揭示了先天免疫抗病毒通路激活的保守機制，真核細胞的環化酶是由長的非修飾的dsRNA激活的，該過程並不依賴於RNA序列，而原核生物的環化酶是識別特定的噬菌體產生的結構性RNA，二者之間有很多相似之處，未來的研究將會關注在cabRNA的特殊性質上，如生物合成、結構、功能，以及與環化酶之間的分子互作。

原文連結：

https://doi.org/10.1038/s41586-023-06743-9

製版人：十一

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