Nature | 膜结合核酸酶直接拦截入侵噬菌体的DNA|dna|噬菌体|广谱|核酸|细胞|结构域

撰文 | 染色体

直接识别并切割病毒核酸是广泛存在的抗病毒防御策略，但关键在于如何区分自身与外源DNA。目前细菌主要通过CRISPR-Cas和限制修饰系统实现识别，但仍可能存在未知机制【1】。

近日，来自麻省理工学院生物系的 Michael T. Laub 在 Nature 期刊发表题为 A membrane-bound nuclease directly cleaves phage DNA during genome injection （一种膜结合核酸酶在噬菌体基因组注入宿主细胞过程中直接切割其DNA）的文章。研究发现SNIPE是一种定位于细菌细胞膜的抗噬菌体防御系统，可通过与噬菌体DNA注入相关蛋白相互作用，在基因组注入过程中直接切割病毒DNA，从而实现特异性防御。

免疫系统的核心功能是区分自我与非我。真核生物通过模式识别受体识别病原相关分子，激活炎症反应或程序性细胞死亡【2】；细菌则通过顿挫感染系统识别噬菌体并诱导宿主死亡，阻止噬菌体传播【3】。另一类非自身识别方式是直接靶向外源核酸：真核生物通过RNA干扰降解病毒RNA【4】，细菌则通过CRISPR–Cas、Argonaute蛋白及限制修饰系统切割外源DNA。然而，是否存在其他直接识别和降解外源核酸的机制仍然未知。

SNIPE是一种膜结合核酸酶

SNIPE定位于大肠杆菌内膜，可有效阻止噬菌体λ感染，同时不影响宿主生长，区别于通过宿主自杀发挥作用的顿挫感染系统。其结构包括N端跨膜域、中部DUF4041域及C端GIY-YIG核酸酶域，跨膜域将其锚定于膜，DUF4041和核酸酶位于胞质侧。核酸酶催化位点和DUF4041结构域对抗病毒功能至关重要，DUF4041通过促进DNA结合增强核酸酶活性。去除跨膜域后，SNIPE脱离膜并定位于染色体，导致DNA双链断裂和细胞毒性，表明其可直接切割DNA；而野生型SNIPE通过膜定位限制接触宿主DNA，避免自体损伤。DUF4041域作为DNA结合辅助结构域，参与识别外源DNA。总体而言，SNIPE通过膜锚定实现空间隔离，核酸酶和DNA结合域协同介导抗噬菌体功能，体现了一种亚细胞定位调控核酸酶活性的自我保护机制。

SNIPE在噬菌体注入时切割其DNA

研究表明，SNIPE作为膜结合核酸酶，在噬菌体DNA注入过程中直接切割病毒基因组，但不影响噬菌体吸附。荧光追踪结果发现，SNIPE表达显著减少进入细胞的噬菌体DNA数量并降低细胞裂解，而核酸酶失活突变（E414A）则失去该作用，表明其防御依赖核酸酶活性。进一步利用³²P标记噬菌体DNA实验发现，在SNIPE存在时，注入的噬菌体DNA被切割为不同大小片段，而对照组则保持完整，直接证明SNIPE可切割注入的病毒DNA。此外，SNIPE无法切割已整合于宿主基因组中的前噬菌体DNA，也不影响其复制和裂解过程，说明其作用具有阶段特异性。这些结果说明，SNIPE通过在DNA注入瞬间切割病毒基因组实现抗噬菌体防御，而非作用于已进入细胞并复制的DNA。

SNIPE通过ManYZ与核酸注入蛋白协同实现广谱防御

研究发现，SNIPE通过与内膜甘露糖转运复合物ManYZ相互作用定位于噬菌体基因组注入位点，从而在λ噬菌体注入DNA时实现高效防御。实验显示，缺失ManYZ显著削弱SNIPE防御能力，而LamB缺失则不影响其作用，说明SNIPE依赖ManYZ进行精准定位。实验还证明，SNIPE在感染前即与ManYZ结合，并在注入过程中同时接触λ噬菌体的tape measure蛋白（TMP），为直接切割病毒DNA提供空间位置。SNIPE对其他依赖ManYZ注入的噬菌体同样敏感，而对非ManYZ依赖噬菌体防御较弱，但通过DUF4041结构域的突变可增强对特定siphoviruses的防御，突变位点主要集中在DUF4041和下游α-螺旋区，表明该结构域在识别特定TMP中起关键作用。系统进化分析显示，SNIPE同源物广泛存在于多种细菌中，33%细菌类群至少携带一个同源物。核酸酶GIY-YIG结构域高度保守，保证核心切割功能，而N端区域和DUF4041结构域高度多样化，分别可能用于膜定位及识别不同噬菌体TMP。大多数N端同源物包含跨膜结构域或模仿膜蛋白/噬菌体蛋白的特征，实现膜定位，部分缺失跨膜结构域的同源物则通过识别膜曲率或结合内膜蛋白等机制定位。DUF4041结构域正电荷保守，用于DNA结合，而其TMP结合界面存在可变性，允许SNIPE适应不同噬菌体。因此，SNIPE通过N端膜锚定、DUF4041 DNA结合及TMP识别，实现对多种噬菌体的靶向防御，展示了通过蛋白–蛋白相互作用调控核酸酶空间定位和广谱抗病毒能力的机制。

综上所述，该研究揭示SNIPE定位于细胞膜，通过与ManYZ和噬菌体TMP相互作用，专门切割入侵DNA。类似膜定位防御系统表明，病毒入侵膜是关键且易破环的环节，膜定位防御是一种高效广谱的抗病毒策略。

https://doi.org/10.1038/s41586-026-10207-1

制版人：十一

参考文献

[ 1] Watson, B. N. J., Steens, J. A., Staals, R. H. J., Westra, E. R. & van Houte, S. Coevolution between bacterial CRISPR-Cas systems and their bacteriophages.Cell Host Microbe29, 715-725 (2021).

[2] Takeuchi, O. & Akira, S. Pattern recognition receptors and inflammation.Cell140, 805-820 (2010).

[3] Lopatina, A., Tal, N. & Sorek, R. Abortive infection: bacterial suicide as an antiviral immune strategy.Annu. Rev. Virol.7, 371-384 (2020).

[ 4 ] Carbonell, A. & Carrington, J. C. Antiviral roles of plant ARGONAUTES.Curr. Opin. Plant Biol.27, 111-117 (2015).

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（*排名不分先后）