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《Nature丨噬菌体通过多种抗防御蛋白克服细菌免疫力》

  • 来源专题：战略生物资源
  • 编译者： 李康音
  • 发布时间：2023-11-25

  • 本文内容转载自“ 科学论文导读”微信公众号。原文链接: https://mp.weixin.qq.com/s/Pa3IgNcBujkKLti51R5tcg

    2023年11月22日，魏茨曼科学研究所等机构的研究人员在Nature发表了题为Phages overcome bacterial immunity via diverse anti-defence proteins的文章。

    最近表明，除了crispr-cas和限制系统外，细菌还采用了相当多的噬菌体抗性系统，但噬菌体如何应对这种多层细菌免疫尚不清楚。

    该研究分析了对细菌防御系统表现出不同敏感性的密切相关的芽孢杆菌噬菌体组，并发现了抑制Gabija，Thoeris和Hachiman系统的四个不同的抗防御蛋白家族。研究人员证明了这些蛋白质Gad1，Gad2，Tad2，并且当与各自的防御系统共表达或引入噬菌体基因组时，已经有效地消除了防御活性。在感染分类学上不同的细菌物种的数百种噬菌体中发现了这些抗防御蛋白的同源物。研究人员证明了抗Gabija蛋白Gad阻断了Gabija防御复合物切割噬菌体衍生的DNA的能力。

    该研究的数据进一步揭示了一种抗Thoeris蛋白，称为Tad2，它是一种 “海绵”，可隔离由Thoeris TIR结构域蛋白响应噬菌体产生的免疫信号分子。该研究结果表明，噬菌体编码的抗防御蛋白库可以禁用各种细菌防御机制。

  • 原文来源：https://www.nature.com/articles/s41586-023-06869-w
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  • 《Nature：揭示噬菌体克服细菌免疫防御新机制》
    • 来源专题：生物安全知识资源中心—领域情报网
    • 编译者：hujm
    • 发布时间：2022-11-14
    • 我们习惯于认为免疫系统是一个独立的实体，几乎是一个独立的器官，但事实要复杂得多。近年来的突破表明单个细菌细胞拥有自己的自主、先天免疫系统，能够识别、定位和处理入侵者。 在一项新的研究中，来自以色列魏茨曼科学研究所、美国丹娜法伯癌症研究院和哈佛医学院的研究人员揭示了病毒克服细菌细胞免疫系统的方式以及这一过程中固有的一种神秘信号分子的化学成分。相关研究结果近期发表在Nature期刊上，论文标题为“Viruses inhibit TIR gcADPR signalling to overcome bacterial defence”。论文通讯作者为魏茨曼科学研究所分子遗传学系的Rotem Sorek博士和丹娜法伯癌症研究院的Philip J. Kranzusch博士。 导致细菌细胞提高它们的免疫防御的病毒被称为噬菌体。噬菌体的工作方式是将它们的DNA注入细菌，操纵细菌细胞将它们复制数十次。接着，新产生的噬菌体杀死了细菌，让它们爆裂，去猎杀附近的其他细菌细胞。然而，细菌并非毫无防备，它们采用了自主免疫系统来对抗这种威胁。 Sorek实验室以前的研究已表明，一种叫做TIR的免疫蛋白片段负责识别噬菌体入侵，一旦检测到噬菌体，TIR就会产生一种神秘的信号分子来触发免疫反应。TIR最初是在植物和动物的免疫系统中发现的，但是Sorek及其研究团队能够证实细菌中也存在类似的机制。然而，这个神秘的信号分子仍然没有被发现。 在这项新的研究中，Sorek团队发现了噬菌体如何能够克服TIR免疫。当研究一组非常相似的噬菌体时，他们吃惊地发现，虽然TIR免疫确实免受其中的一些噬菌体感染，但是其他噬菌体却被证明是胜利者，并成功杀死了细菌。在研究这些胜利的噬菌体时，他们发现它们包含一个特殊的基因，它所编码的蛋白中和TIR免疫，从而使这些噬菌体占据了上风。 当这些作者探究这种如今称为Tad1的蛋白时，他们发现该蛋白在TIR产生这种信号分子后立即捕获了该信号分子。Sorek说，“就好像该蛋白迅速吞下了这种信号分子，不让免疫系统看到它哪怕一丝一毫。这种免疫规避机制从未在任何已知的病毒中出现过。” 这些作者随后意识到，如果这种信号分子被锁在这种噬菌体蛋白内，他们也许能够通过查看这种蛋白的结构来“看到”它。他们能够通过晶体学确定这种信号分子的空间结构和化学成分。 Sorek喃喃自语，“我们寻找这种神秘的信号分子已经好几年了。具有讽刺意味的是，如果没有噬菌体的协助，我们不可能找到它。我们发现了一种新的方式，通过这种方式病毒可以使依赖信号分子的免疫系统失去活性。这种免疫系统并不是细菌独有的---它们存在于植物和人类的细胞中。” 了解噬菌体如何能够适应和进化可能有助于我们更好地对抗细菌免疫系统。Sorek说，“如果感染我们身体的病毒使用与我们在噬菌体中发现的Tad1完全相同的机制，我们将不会感到吃惊。”如果是这样的话，那么它可能会对我们保护自己不受那些诡计多端的病毒侵害的能力产生直接影响。 参考资料： Azita Leavitt et al. Viruses inhibit TIR gcADPR signaling to overcome bacterial defense, Nature, 2022, doi:10.1038/s41586-022-05375-9.
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  • 《Nature：来自噬菌体的强力反击！噬菌体产生抗CRISRP RNA来抑制细菌CRISPR–Cas系统》
    • 来源专题：生物安全知识资源中心—领域情报网
    • 编译者：hujm
    • 发布时间：2023-10-23
    • 一项微观上的发现不仅能让科学家们了解我们周围的微生物世界，还能提供一种控制CRISPR-Cas生物技术的新方法。在一项新的研究中，新西兰奥塔哥大学的Peter Fineran教授和丹麦哥本哈根大学的Rafael Pinilla-Redondo博士领导的一个国际研究团队揭示了细菌病毒---也称为噬菌体---抑制细菌 CRISPR-Cas 免疫系统的一种新方法。相关研究结果于2023年10月18日在线发表在Nature期刊上，论文标题为“Bacteriophages suppress CRISPR–Cas immunity using RNA-based anti-CRISPRs”。 论文共同第一作者、奥塔哥大学微生物学与免疫学系噬菌体-宿主相互作用实验室的David Mayo-Muñoz博士说，这一发现可能让我们了解环境中的微生物动态、使基因编辑更安全，并带来更有效的抗生素替代品。他说，“这一发现令科学界兴奋不已，因为它让我们对如何阻止CRISPR-Cas防御有了更深入的了解。” CRISPR-Cas是细菌拥有的能够保护它们不受噬菌体感染的免疫系统。它的工作原理是将噬菌体的DNA片段添加到细菌的基因组中。细菌最终会有一个记忆库，里面储存着过去感染噬菌体的经历，它会把这些经历像人脸照片一样归档，在噬菌体再次攻击时，利用它们来识别和降解特定的噬菌体。 “如果有噬菌体入侵，它的部分 DNA 会被添加到记忆库中，然后在这个过程中将 DNA 转化为 RNA。每条 RNA 就像一个向导，这样 CRISPR-Cas 系统就能正确识别并消灭入侵的噬菌体。记忆库中的每一个添加的DNA片段都被CRISPR重复序列分割开来，这些重复序列就像书挡一样堆叠在相邻的噬菌体序列之间。有趣的是，噬菌体进化出了不同的方法来克服这些防御系统---这就像是一场进化军备竞赛。细菌拥有CRISPR-Cas，因此噬菌体开发出了抗CRISPR，这使它们能够阻断细菌的这些免疫复合物。” Mayo-Muñoz说，“我们发现了噬菌体阻止CRISPR-Cas系统的全新方法。” 之前的科学家们已发现，一些噬菌体的基因组中含有CRISPR重复序列，而在这项新的研究中，这些作者证实噬菌体会给细菌加载这些RNA重复序列，从而阻止CRISPR-Cas。 Fineran教授说，这些抗CRISPR RNA会使细菌的CRISPR-Cas免疫复合物失明。他说，“噬菌体的基因组中含有细菌CRISPR-Cas系统的成分。它们利用这些分子模拟物来抑制细菌的免疫系统，使噬菌体得以复制。” 这些作者还发现当噬菌体将 RNA 重复序列加载到 CRISPR-Cas 蛋白上时，并非所有正确的蛋白都会被加载，从而形成无功能的免疫复合物。“这种分子模拟物破坏了细菌的防御能力和CRISPR-Cas系统的功能；它基本上就是一个诱饵。” 人们对CRISPR-Cas的一大兴趣在于它经编程后能够精确地编辑基因组的特性。有趣的是，抗CRISPR可用作关闭或调整这项技术的安全开关。“要想发挥CRISPR-Cas技术的潜力，重要的是能够控制它、开启和关闭它以及调整它，从而提高其准确性和治疗效果。” Mayo-Muñoz博士说，“我们的发现首次证明了抗CRISPR RNA的存在，与之前发现的抗CRISPR蛋白相比，抗CRISPR RNA的遗传序列更短，而且由于它们是基于已知的CRISPR重复序列，我们有可能为所有CRISPR-Cas系统及其特定应用设计抗CRISPR RNA。” CRISPR-Cas最终将用于基因疗法---修复导致疾病的突变基因，但为了使它更安全，需要抗CRISPR来调节这种技术。 噬菌体还可以作为抗菌剂杀死病原菌，提供抗生素的替代品，但如果受感染的细菌具有活跃的CRISPR-Cas系统，就需要使用含有合适的抗CRISPR的噬菌体来中和它。 Fineran教授说，“能够构建定制的抗CRISPR将是工具箱中的一个强大选择。我们很高兴能够对噬菌体如何与细菌宿主作战提供全新的见解。我们希望这些 RNA anti-CRISPR RNA能够提供一种新的方法来协助控制 CRISPR-Cas 技术。” 参考资料： 1. Sarah Camara-Wilpert et al. Bacteriophages suppress CRISPR–Cas immunity through RNA-based anti-CRISPRs. Nature, 2023, doi:10.1038/s41586-023-06612-5. 2. Scientists uncover new way viruses fight back against bacteria https://phys.org/news/2023-10-scientists-uncover-viruses-bacteria.html
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