Cell子刊 | “双剑合璧，百毒不侵”—华中科技大学朱斌/成锐首次揭示Gabija免疫机制

Gabija复合物是由GajA和GajB蛋白组成的原核抗病毒系统。GajA被鉴定为一种DNA切割内切酶，但GajA及其复合物的功能尚不清楚。

2023年7月21日，华中科技大学朱斌及成锐共同通讯在Cell Host & Microbe（IF=30）在线发表题为“Prokaryotic Gabija complex senses and executes nucleotide depletion and DNA cleavage for antiviral defense”的研究论文，该研究揭示了GajA介导的DNA切割和GajB的核苷酸水解之间的协同作用，启动了有效的针对强毒噬菌体的流产感染防御。

GajA的抗病毒活性需要GajB，GajB感知由GajA产生的DNA末端水解(d)A/(d)GTP，消耗必需核苷酸。Gabija复合体的ATP酶活性仅在DNA结合时被激活。在体内和体外，GajA与GajB结合形成稳定的复合物。然而，一个功能性的Gabija复合体需要GajB和GajA之间的分子比例低于1:1，这表明DNA/核苷酸加工复合体的化学计量调节。因此，Gabija系统通过序列感知和激活核苷酸耗尽和DNA切割，显示出独特而有效的抗病毒防御，导致级联自杀效应。

为了抵抗病毒频繁而多样的攻击，原核生物进化出了许多巧妙的防御策略，这些策略统称为原核生物的“免疫系统”。最近宏基因组分析的蓬勃发展表明，细菌中存在着多种未知的防御系统。迄今为止，许多新的原核抗病毒机制已被揭示，包括但不限于基于环寡核苷酸的噬菌体信号系统(CBASS)， 噬菌体排斥(BREX)系统，原核argonautes (pAgos)，与R-M相关的防御岛系统(DISARM)，核酸酶解旋酶免疫(Nhi)和SspABCD-SspE系统。许多新发现的系统通过在噬菌体后代释放之前引起细胞自杀的流产感染机制来防御噬菌体感染。这些研究大大扩展了人们对细菌免疫的认识。

Doron等人鉴定了10种新的原核抗病毒系统。除了最近发现的Thoeris系统和Wadjet系统，这些系统的抗病毒机制仍然难以捉摸。在这些系统中，作者重点研究了Gabija防御系统，该系统由GajA和GajB两个预测基因组成。来自蜡样芽孢杆菌VD045的Gabija系统对多种噬菌体具有抗性，包括噬菌体phi29、rho14、phi105和SpBeta。生物信息学分析表明，Gabija在原核生物中广泛存在，约占所有分析基因组的15%。相比之下，在所有测序的细菌中约有40%发现了CRISPR-Cas系统，而在约75%的原核生物基因组中发现了R-M系统。

机理模式图（图源自Cell Host & Microbe ）

许多已知的细菌防御系统攻击噬菌体基因组DNA及其大部分元件，如CRISPRCas和R-M系统，具有特异性处理核酸的能力。作者最近的研究揭示了Gabija系统的一个组成部分，GajA是一种核苷酸传感和序列特异性DNA切割内切酶然而，另一个成分GajB的作用仍然不清楚，GajB被预测为一种类似于UvrD的解旋酶。如前所述，UvrD可以作为解旋酶或仅作为单链DNA (ssDNA)转位酶起作用，单链DNA (ssDNA)转位酶利用其依赖于ssDNA的ATP酶活性在30至50个方向上进行转位。该研究对Gabija防御系统进行了广泛的遗传和生化研究，并报道了其分子机制。研究发现Gabija系统通过流产感染方式表现出广泛而有效的噬菌体抗性，并且GajA和GajB对其功能至关重要。GajA表现出特异性的寡聚化和DNA结合特性，后者被NTP强烈抑制。出乎意料的是，GajB表现出很强的(d)A/(d)GTP水解活性，但没有解旋酶活性。

该研究确定了GajB的底物和最佳反应条件，进一步揭示了GajB的活性是由DNA末端激活的。GajA和GajB形成稳定的复合物，其中GajA的DNA缺口刺激GajB的活性，并且在一定的分子比例下，GajB增强了GajA的DNA结合和切割。该研究证明了一种机制，其中核苷酸敏感的DNA缺口酶和DNA末端依赖性的(d) A /(d)GTPase协调介导抗病毒防御。

华中科技大学生命学院博士后成锐为论文第一作者，华中科技大学为论文第一单位，华中科技大学生命学院教授朱斌与博士后成锐为通讯作者。本研究受到国家自然科学基金原创探索项目及深圳市基础研究重点项目支持。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.chom.2023.06.014

转自：“iNature”微信公众号

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