Nature | 噬菌体抗防御的全新作用范式 ——T7噬菌体T7K激酶通过高混杂蛋白质磷酸化对抗细菌防御系统|噬菌体|基因改造细菌|基序|核酸|激酶|磷酸化|蛋白

撰文|S

细菌‑噬菌体共进化军备竞赛持续塑造原核生物免疫与噬菌体反免疫系统。大量新型细菌抗噬菌体防御系统陆续被鉴定，包括CRISPR‑Cas、限制‑修饰系统、Retron、DarTG等，绝大多数免疫复合体以核酸分子作为识别或者效应靶点。与之相对应，已报道的噬菌体抗防御效应蛋白大多具备靶标特异性，通过蛋白‑蛋白相互作用、DNA模拟、酶促修复等方式，单一组分仅拮抗一种或少数几种同源防御系统。这种“一对一”的拮抗模式意味着噬菌体需要编码数量庞大的抗防御基因，才能应对细菌高度多样化的免疫组，因此学界一直关注噬菌体是否存在普适性抗防御策略，通过利用细菌防御系统共有的生化特征实现广谱免疫逃逸。

近日，来自欧洲分子生物学实验室EMBL的Athanasios Typas与Mikhail M. Savitski团队在Nature发表研究论文Pervasive phosphorylation by phage T7kinase disarms bacterial defences，借助时序定量磷酸化蛋白质组学，重新解析T7噬菌体编码的蛋白激酶T7K（gp0.7）的生理功能。

T7K于上世纪70年代被发现，既往研究认为该激酶仅靶向有限的宿主蛋白，重编程宿主转录与翻译通路服务噬菌体增殖。该研究证实T7K属于无序列基序偏好的双特异性高混杂激酶，感染早期5min内即可驱动宿主及噬菌体蛋白质组发生爆发式Ser/Thr/Tyr磷酸化，磷酸化修饰的总体规模甚至超过人类500余种激酶的总输出。研究通过T7K敲除株Δ0.7与催化致死突变G76F对照，证实全部大规模磷酸事件严格依赖T7K的催化活性；体外重组激酶域实验进一步确认，该激酶不依赖底物周围保守氨基酸序列，能够同时修饰丝氨酸、苏氨酸与酪氨酸残基。

尽管底物识别不存在序列约束，T7K的体内修饰存在明显功能偏向。研究人员建立磷酸酶‑质谱的化学计量定量策略，发现仅有小部分靶蛋白达到高化学计量磷酸化水平，这部分靶标显著富集DNA/RNA结合蛋白。机制研究证实，T7K的C端Shutoff（SO）结构域具备DNA结合活性，该结构域不影响N端激酶结构域的催化能力，但能够将激酶富集至核酸‑蛋白复合物附近，驱动核酸结合蛋白发生高占有率磷酸化，进而改变靶蛋白功能。同时SO结构域可延缓T7K自磷酸化介导的活性衰减，维持短暂但高强度的激酶活性窗口。为避免自身组分被过度修饰，T7噬菌体早期编码蛋白在进化中发生适应性选择，蛋白表面可溶剂接触的丝氨酸、苏氨酸残基丰度显著下调，降低被T7K修饰的风险；感染后T7K会快速发生自磷酸化失活，将激酶活性严格限制在感染早期数分钟。

研究进一步在异源重组体系中评估T7K对核酸依赖性细菌防御系统的拮抗能力。在测试的多套防御元件中，Retron‑Eco9与DarTG1的抗病毒活性可被T7K有效抵消。对Retron‑Eco9毒素RcaT的磷酸化位点鉴定发现，T7K修饰毒素多个关键功能表面残基；引入单点磷酸模拟突变即可废除该逆转录子的抗噬菌体表型，部分突变不改变毒素蛋白胞内丰度，证明磷酸化可直接破坏效应毒素的生物学活性，而非仅仅介导蛋白降解。DarTG1复合体同样发生高强度磷酸化，但部分磷酸模拟突变伴随毒素蛋白稳定性下降，难以完全区分活性抑制与蛋白降解的贡献。

为规避质粒高拷贝带来的人工实验偏差，研究利用包含513株天然大肠杆菌分离株的菌株库开展高通量感染表型筛选。在可被T7侵染的菌株中，多个菌株携带的天然抗噬菌体防御可被T7K显著削弱，部分菌株的效应幅度可达千倍级别。值得注意的是，T7K敏感的天然菌株并不统一携带Retron‑Eco9、DarTG1等已解析靶标，提示T7K的作用谱覆盖大量尚未被解析的天然防御系统；同时存在少数菌株，T7K的存在反而增强宿主防御，暗示部分细菌防御系统已经进化出感知T7K激酶活性的应答通路。

进化分析显示，高混杂激酶活性在Autographiviridae科T7样噬菌体中高度保守。T7K家族激酶以DPV基序替代真核激酶经典的DFG激活环基序，结构比对提示，DPV缺失DFG基序里的苯丙氨酸残基，无法切换到DFG‑out的失活构象，将激酶锁定在持续激活状态，这解释了T7K极强的催化活性，激酶的关闭只能依靠后续自磷酸化。C端SO DNA结合结构域主要存在于T7近缘噬菌体，巨型噬菌体、原噬菌体来源的远缘同源蛋白大多丢失该结构域，其底物偏好与生理功能尚待阐明。

总的来说，该研究建立了噬菌体抗防御的全新作用范式：不针对单个防御蛋白进行特异性拮抗，而是利用细菌防御系统普遍靶向核酸的生化共性，依靠高化学计量的混杂磷酸化实现广谱免疫抑制。该工作也遗留诸多待阐释的科学问题，SO结构域激酶非依赖毒性的生物学贡献、天然菌株中大量T7K敏感防御的分子机制，以及细菌逃逸、感知激酶修饰的分子通路，都将成为后续重要研究方向，同时高混杂噬菌体激酶也为合成生物学翻译后扰动工具的开发提供潜在素材。

https://doi.org/10.1038/s41586-026-10934-5

制版人：十一

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