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中国科学院Deng, Zengqin: ATP酶-核酸酶双酶抗噬防御复合物的分子结构基础

论论资讯 | 2024-06-05 4389热度

Cell Research

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Molecular and structural basis of an ATPase-nuclease dual-enzyme anti-phage defense complex

An Qiyin; Wang Yong; Tian Zhenhua; Han Jie; Li Jinyue; Liao Fumeng; Yu Feiyang; Zhao Haiyan; Wen Yancheng; Zhang Heng; Deng Zengqin

Published:2024-06-04
DOI:10.1038/s41422-024-00981-w

研究背景

在细菌的免疫反应中,对抗噬菌体感染的策略多种多样,其中结合不同酶效应子的方法已被证明是一种高效防御机制。尽管如此,除了广泛研究的类型III CRISPR-Cas系统中的核酸酶和环化酶活性外,其他细菌防御系统中的协同酶活性仍知之甚少。本研究聚焦于这一领域的空白,探索新的防御机制。

研究内容

本研究在《细胞研究》期刊上发表,题为“Molecular and structural basis of an ATPase-nuclease dual-enzyme anti-phage defense complex”。研究团队通过生化和结构分析,详细研究了一种名为DUF4297-HerA的双组件防御系统。研究发现,DUF4297-HerA通过协同切割双链DNA和分解ATP,有效抵抗噬菌体感染。DUF4297单独形成二聚体,而HerA单独存在时为非平面分裂螺旋六聚体,两者单独的酶活性极低。然而,当DUF4297与HerA组装成约1 MDa的超分子复合体时,情况发生了变化。在这种复合体中,两层DUF4297(每层6个DUF4297分子)通过相邻DUF4297分子间的层间二聚化连接,堆叠在HerA六聚体上方。这种复合体的组装促进了上层DUF4297分子的二聚化,并使HerA从非平面六聚体转变为平面六聚体,从而激活了各自的酶活性,有效消除了噬菌体感染。

研究意义

本研究不仅揭示了一种新型双酶抗噬菌体防御系统,还展示了一种独特的通过协同复合体组装激活的机制,这在细菌免疫中具有重要意义。这一发现为理解细菌如何通过复杂的分子机制防御噬菌体感染提供了新的视角,并可能为开发新型抗菌策略提供理论基础。 通过这项研究,我们对于细菌如何利用复杂的酶系统来防御噬菌体感染有了更深入的理解,这不仅增进了我们对微生物免疫机制的认识,也为未来的生物技术应用提供了潜在的新途径。

图片赏析

图1 Hera六聚体的冷冻电镜结构. 赫拉的冷冻电镜密度图b赫拉的整体结构. Hera的C域组织. 每个域都以不同的颜色进行标记. 为了比较,显示了Ssohera(PDB:4D2I)的结构. Hera和DUF4297–Hera复合物的D-ATP酶活性.
图2 DUF4297–Hera复合物的冷冻电镜结构. DUF4297–Hera复合体的冷冻电镜密度图B DUF4297–Hera复合体的整体结构. Hera、底层DUF4297和顶层DUF4297分别为橙红色、青色和绿色. DUF4297的C域组织. 每个域都有标签和颜色编码. 显示了DUF4297的Alphafold2-预测结构以供比较.
图3组装DUF4297–Hera复合体. 显示了DUF4297–Hera复合体的四个关键组件接口. B两个相邻上层DUF4297分子的CTD之间的详细相互作用. C上层DUF4297和相应底层DUF4297的CTD之间的详细相互作用. D底层DUF4297的CTD和Hera的HAS域之间的详细相互作用. E C末端钩子和相邻的Hera之间的详细相互作用. F DUF4297–Hera野生型(WT)的大小排阻色谱以及在装配界面处含有突变的突变体. 在表达空载体DUF4297–Hera WT和所示突变体的细胞上的λ噬菌体的G噬菌斑. 将10倍系列稀释的噬菌体裂解物滴在平板上.
图4与ATP类似物和DNA复合的DUF4297–Hera的冷冻电镜结构. DUF4297–Hera与ATP类似物和DNA在状态1(上图)和状态2(下图)复合的底视图为清楚起见,删除了DUF4297. B DNA与状态1中四个DNA参与亚基的两个碱性残基之间的相互作用. C Hera与AMPPNP(上图)和ADP(下图)的磷酸基团之间的详细相互作用. d每个HERA亚单位在状态1和状态2之间的构象变化. 状态1的HERA亚单位的颜色编码为A,而状态2的HERA亚单位的颜色为绿色. 状态1(上图)和状态2(下图)中的E核苷酸结合状态
图5 N-端子DUF4297域的二聚体化. 4.2 å局部精炼低温电磁映射中预测的N-端子域的正交视图b N-端子DUF4297域二聚体和Avs3 cap4域四聚体的叠加. N-端子DUF4297域的c活动位点. d 以pUC19质粒DNA、大肠杆菌基因组DNA、合成dsDNA或合成ssDNA在体外对DUF4297-HerA复合物的核酸酶活性的琼脂糖凝胶分析. 噬菌体λ在表达空载体DUF4297-HerA WT的细胞上,以及指示突变体的10倍序列扩增液滴在溶酶板上.
图6 DUF4297 - HerA抗噬菌体防御机制a存在噬菌体λ感染时存在DUF4297 - HerA的细菌生长曲线,具有所指示的MOI值. b存在DUF4297 - HerA突变体的细菌生长曲线(DUF4297mut:DUF4297D40A/Q53A/K55A - HerA;HerAmut:DUF4297 - HerAK157A)在噬菌体λ感染时,具有所指示的MOI值. c表达未感染的DUF4297 - HerA或突变体的细胞的代表性图像,或在噬菌体λ感染后60 min,MOI=1. 用FM4—64(红色)染色细胞膜,用DAPI(蓝色)染色. 白色箭头表示既没有噬菌体又没有宿主DNA的“体模”细胞. c. e组装中“体模”细胞百分比的量化以及DUF4297 - HerA复合物可能的激活机制.

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