Mol Cell背靠背 | 欧阳松应/夏宁邵团队合作揭示细菌孔明抗噬菌体系统的组装与激活机制|噬菌体|基因改造细菌|孔明|欧阳松应|细胞|蛋白

2025年2月3 日，福建师范大学欧阳松应团队联合厦门大学夏宁邵院士团队，在Molecular Cell上发表了题为Filament-driven activation of the Kongming antiviral system by deoxyinosine triphosphate的论文。该研究主要是利用冷冻电镜技术，揭示了细菌孔明系统的组装与激活机理，进而发挥抗噬菌体功能的分子机制。

细菌与噬菌体之间长期的“军备竞赛”促使细菌进化出多种抗噬菌体防御系统。已有研究通过对微生物基因组中防御系统的高通量搜索分析发现，在至少7%的已测序细菌基因组中，其携带的防御系统组分会在噬菌体感染过程中引发细胞内烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD⁺）的大量消耗。NAD⁺是能量代谢中至关重要的辅酶，广泛存在于各类生命体中，当其在细胞内被快速耗尽时，细胞往往会进入休眠状态甚至死亡。这种通过牺牲宿主细胞来阻断噬菌体扩增的方式，是细菌常见的抗噬菌体防御策略之一，被称之为流产感染。目前已知抗噬菌体系统中发挥NAD⁺水解功能的主要是含有TIR结构域或Sir2结构域的蛋白质。

Sir2 蛋白家族是一类在细菌、古细菌及高等真核生物中广泛存在的保守蛋白家族。在真核生物中，Sir2 蛋白NAD⁺作为辅助因子，主要发挥蛋白去乙酰化酶或 ADP-核糖基转移酶的功能。而在原核生物中，Sir2 结构域蛋白则广泛存在于多种抗噬菌体防御系统中。近年来，欧阳松应教授团队陆续鉴定并解析了多种 Sir2 相关的抗噬菌体系统（详见BioArt报道：；），但不同的系统中其具体激活机制存在显著差异，仍有待深入阐明。

孔明抗噬菌体系统是2 025 年华中农业大学韩文元教授发现的利用碱基修饰核苷酸作为第二信使的细菌免疫防御系统，孔明系统由 KomA、KomB、KomC三个蛋白组成，当噬菌体入侵时，噬菌体来源的脱氧核苷酸激酶（DNK）参与dITP的合成。然而，孔明系统如何识别dITP以及dITP如何激活KomC的N AD 水解酶活性一直不清楚。研究人员选取了来源于 Archangium gephyra 菌株的孔明抗噬菌体系统，发现 KomB 与 KomC 形成的 KomBC 复合物以 4 ∶ 4 的方式组装，在 dITP 存在的条件下表现出极强的 NAD⁺ 水解活性。

为进一步揭示 dITP 对 KomBC 复合物的激活机制，研究人员利用冷冻电镜技术解析了加入 dITP 后的结构。结果发现，dITP 的加入会显著促进 KomBC 复合物由游离状态向纤维状结构转变（图1），尽管在未加入 dITP 时已有少量复合物呈现纤维状构象，电镜图片显示d ITP 明显加速了这一聚集过程。对 dITP 关键结合位点进行点突变后，复合物的 NAD⁺ 水解活性均出现不同程度的下降。结构对比分析显示，dITP 结合后 2分子的 KomB 之间形成类似“握手”的构象变化，使其相互作用更加紧密。

随后，研究人员解析了Kom BC 与dITP的多个复合物的结构，发现 KomB 结合dITP后，最终传导到 KomC ，使它的 NAD⁺ 结合口袋发生收缩，从而显著提高 KomC 对 NAD⁺ 的亲和力。

图 1 Kom BC 复合物结合dITP的结构及结合位点

综上，研究人员提出了孔明系统通过复合物组装、构象变化及别构激活共同发挥抗噬菌体功能的作用模型（图2），系统阐明了其在抵御噬菌体入侵过程中的分子机制。该研究不仅加深了人们对原核生物 Sir2 家族蛋白激活方式的认识，也为理解细菌抗噬菌体免疫系统的多样性与复杂性提供了新的理论依据。

图 2 Kongming系统抗噬菌体的分子机制

据悉，Molecular Cell杂志同期还以背靠背的方式刊登了新加披国立大学骆敏助理教授/吴宾博士和华中农业大学韩文元教授合作的关于大肠杆菌孔明系统激活机制的论文“Filament-mediated repurposing of toxic dITP for immunity in the Kongming system” 。