近日，上海交通大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院微生物代謝全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室鄭艦艇課題組在《Nature Communications》上發(fā)表題為“Filamentation activates bacterial Avs5 antiviral protein”的研究論文。該研究系統(tǒng)解析了細(xì)菌抗病毒蛋白EfAvs5的結(jié)構(gòu)和功能，揭示其通過(guò)獨(dú)特的纖維化組裝激活NADase活性的防御策略。上海交通大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院博士研究生王逸群為第一作者，鄭艦艇副教授為通訊作者。
細(xì)菌與噬菌體的持續(xù)對(duì)抗推動(dòng)了細(xì)菌抗病毒防御系統(tǒng)的演化。本文研究的細(xì)菌抗病毒EfAvs5（來(lái)自Escherichia fergusonii）屬于Avs（antiviral STAND）家族成員，與廣泛存在于動(dòng)植物免疫系統(tǒng)中的核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域（NOD）樣受體（NLRs）具有進(jìn)化關(guān)聯(lián)。EfAvs5包含三個(gè)功能模塊：SIR2效應(yīng)域、中央NOD及C端感應(yīng)域，賦予其抵御多種噬菌體入侵的能力。盡管已有研究報(bào)道了SIR2蛋白與STAND家族受體在原核與真核生物免疫系統(tǒng)中的功能，但其協(xié)同作用的分子機(jī)制仍不明確。
圖1.EfAvs5的抗噬菌體功能
研究證明了EfAvs5通過(guò)SIR2降解胞內(nèi)NAD?觸發(fā)抗病毒防御，其功能依賴于NOD結(jié)構(gòu)域的ATP結(jié)合能力及C端感應(yīng)域的構(gòu)象完整性。進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，僅有形成纖維簇的EfAvs5才表現(xiàn)出顯著NADase活性，單體形式則完全無(wú)NADase活性。本研究進(jìn)一步通過(guò)冷凍電鏡技術(shù)解析了EfAvs5纖維的高分辨率結(jié)構(gòu)，揭示了其獨(dú)特的多層次組裝模式。EfAvs5通過(guò)WHD-NBD鹽橋及SIR2-SIR2氫鍵形成C2對(duì)稱同源二聚體，二聚體間進(jìn)一步通過(guò)螺旋對(duì)稱排列組裝為纖維核心。EfAvs5的纖維化組裝是由SIR2與NOD協(xié)同驅(qū)動(dòng)的，這與此前報(bào)道的SIR2介導(dǎo)纖維組裝模式不同。C端感應(yīng)域通過(guò)靜電相互作用與相鄰纖維的SIR2結(jié)構(gòu)域頭尾相接，驅(qū)動(dòng)了纖維簇的形成，賦予結(jié)構(gòu)額外的穩(wěn)定性。纖維化誘導(dǎo)SIR2二聚體界面重構(gòu)，穩(wěn)定了催化構(gòu)象。突變分析證明了二聚體形成、單纖維形成和纖維簇形成對(duì)于EfAvs5的抗噬菌體功能都是必須的。
圖2. EfAvs5的纖維結(jié)構(gòu)
免疫共沉淀-質(zhì)譜聯(lián)用與生化分析揭示噬菌體T7編碼的核苷酸激酶gp1.7誘導(dǎo)EfAvs5形成纖維簇，激活其NAD?水解酶活性，進(jìn)而顯著增強(qiáng)細(xì)胞毒性，提示該蛋白可能作為噬菌體的“病原體相關(guān)分子模式”被免疫系統(tǒng)感知。另外，EfAvs5作為缺乏ATP水解活性的STAND蛋白，其抗噬菌體功能依賴于NOD結(jié)構(gòu)域?qū)TP的結(jié)合，ATP結(jié)合可能通過(guò)穩(wěn)定NOD的寡聚化構(gòu)象促進(jìn)EfAvs5纖維組裝；然而，ATP的過(guò)量積累可非競(jìng)爭(zhēng)性抑制其NADase活性。這種動(dòng)態(tài)調(diào)控模式體現(xiàn)了細(xì)菌免疫系統(tǒng)在能量代謝與防御反應(yīng)間的精密平衡。
本文結(jié)合了結(jié)構(gòu)生物學(xué)、生物化學(xué)及微生物學(xué)等手段，揭示EfAvs5通過(guò)纖維化構(gòu)象重構(gòu)實(shí)現(xiàn)NADase活性精準(zhǔn)調(diào)控的抗噬菌體新機(jī)制，闡釋超分子組裝在跨生命形式免疫信號(hào)傳導(dǎo)中的保守作用，并為理解噬菌體-宿主互作的分子博弈提供了新視角。
本項(xiàng)目得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國(guó)家自然科學(xué)基金的資助。感謝國(guó)家蛋白質(zhì)科學(xué)中心、上海交通大學(xué)分析測(cè)試中心的技術(shù)支撐。
論文鏈接： https://doi.org/10.1038/s41467-025-57732-7
本期編輯：Double
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