2025年5月8日晚，北京理工大學(xué)生命學(xué)院高昂教授團(tuán)隊(duì)與合作者在Cell雜志發(fā)表研究論文，揭示了細(xì)菌抗噬菌體免疫的新機(jī)制。該研究是高昂團(tuán)隊(duì)繼2022年Nature成果之后的又一重要突破。

　　文章題為Cyclic dinucleotide-induced filamentous assembly of phospholipases governs broad CBASS immunity，揭示了CBASS系統(tǒng)磷脂酶類效應(yīng)蛋白在響應(yīng)環(huán)狀寡核苷酸分子后，自組裝形成超分子纖維結(jié)構(gòu)，進(jìn)而降解細(xì)菌內(nèi)膜完成細(xì)胞殺傷的分子機(jī)制。這一發(fā)現(xiàn)不僅拓展了細(xì)菌免疫應(yīng)答的多樣性，也為開發(fā)新型抗病毒策略和可控細(xì)胞裂解工具提供了理論依據(jù)。

　　北京理工大學(xué)生命學(xué)院高昂教授為論文的最后通訊作者，生命學(xué)院博士研究生王靖格為第一作者，北京理工大學(xué)為該項(xiàng)研究的第一完成單位。

　　億萬(wàn)年的時(shí)間里，噬菌體與細(xì)菌之間不斷進(jìn)行著攻擊-防御-反擊的戰(zhàn)斗。為了阻止噬菌體入侵，細(xì)菌進(jìn)化出一系列復(fù)雜而精巧的抗噬菌體防御系統(tǒng)，又被稱為“原核生物的免疫系統(tǒng)”。其中，基于環(huán)狀寡核苷酸的抗噬菌體信號(hào)傳導(dǎo)系統(tǒng)(CBASS，cyclic-oligonucleotide-based anti-phage signaling systems)備受關(guān)注。該系統(tǒng)在響應(yīng)噬菌體感染后被激活，通過(guò)合成環(huán)狀寡核苷酸第二信使分子，迅速放大信號(hào)，進(jìn)而激活下游效應(yīng)蛋白，引發(fā)細(xì)胞殺傷作用，導(dǎo)致細(xì)菌在噬菌體復(fù)制完成前死亡，阻止了噬菌體的復(fù)制和擴(kuò)散。

　　CBASS 系統(tǒng)是一個(gè)龐大且高度多樣化的防御系統(tǒng)，存在于超過(guò)10%的細(xì)菌與古細(xì)菌中。值得注意的是，該系統(tǒng)與高等生物cGAS-STING免疫通路具有明確的進(jìn)化同源性。然而，CBASS系統(tǒng)中最早被發(fā)現(xiàn)、分布最廣的磷脂酶類效應(yīng)蛋白如何被激活并發(fā)揮細(xì)胞殺傷功能的分子機(jī)制尚不清楚，是領(lǐng)域內(nèi)長(zhǎng)期懸而未決的問(wèn)題。研究團(tuán)隊(duì)歷時(shí)五年攻堅(jiān)克難，經(jīng)過(guò)持續(xù)探索與系統(tǒng)研究，最終成功解析了這一關(guān)鍵機(jī)制。

　　研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，在未被激活的靜息狀態(tài)下，來(lái)源于大腸桿菌的CBASS磷脂酶類效應(yīng)蛋白CapE以二聚體形式存在，且底物通道處于封閉狀態(tài)。該效應(yīng)蛋白與環(huán)狀寡核苷酸信號(hào)分子cUA的親和力極高。進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，向CapE溶液中加入cUA后，蛋白從溶液狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槟z態(tài)。冷凍電鏡結(jié)構(gòu)分析表明，cUA的結(jié)合觸發(fā)CapE發(fā)生關(guān)鍵構(gòu)象變化，CapE二聚體以“頭尾相接”的方式線性堆疊，自組裝形成纖維狀超分子復(fù)合物。纖維狀復(fù)合物的形成使得通往酶活中心的底物通道開放，原本隱藏的催化位點(diǎn)暴露，促使效應(yīng)蛋白從靜息態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榛罨癄顟B(tài)?；罨蟮腃apE磷脂酶類效應(yīng)蛋白能夠高效裂解細(xì)胞膜，最終導(dǎo)致細(xì)胞裂解和死亡。

　　研究者通過(guò)對(duì)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，確定了CapE在識(shí)別cUA、分子自組裝及催化活化過(guò)程中的關(guān)鍵位點(diǎn)。隨后，結(jié)合定點(diǎn)突變及噬菌體感染實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)地驗(yàn)證了這些關(guān)鍵位點(diǎn)對(duì)CapE 抗噬菌體功能的重要性。為進(jìn)一步模擬CapE 被cUA 激活后裂解細(xì)胞膜的過(guò)程，研究者采用脂質(zhì)體模擬細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)，并加入CapE 與cUA 進(jìn)行電鏡觀察，結(jié)果表明CapE 在響應(yīng)cUA 后能夠通過(guò)自組裝介導(dǎo)膜裂解。此外，研究團(tuán)隊(duì)還利用冷凍電子斷層掃描(cryo-ET)和超分辨熒光成像，觀察到噬菌體感染過(guò)程中，CapE在細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)聚集并形成纖維狀結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象。

　　值得一提的是，研究者發(fā)現(xiàn)來(lái)源于霍亂弧菌的類似效應(yīng)蛋白CapV(CapE同源蛋白)在結(jié)合第二信使分子3′3′-cGAMP后，同樣可形成纖維狀結(jié)構(gòu)，提示通過(guò)超分子組裝執(zhí)行細(xì)胞殺傷功能可能是CBASS磷脂酶類效應(yīng)蛋白的保守機(jī)制。此外，磷脂酶類效應(yīng)蛋白在結(jié)合環(huán)狀寡核苷酸后形成的超分子纖維結(jié)構(gòu)，與真核細(xì)胞中cGAS-STING通路激活后的多聚化組裝現(xiàn)象非常相似。這就像是數(shù)億年前的一次基因“分家”，細(xì)菌選擇直接裂解細(xì)胞阻斷病毒傳播，而人類細(xì)胞則演化出更精細(xì)的免疫應(yīng)答——但它們的核心邏輯驚人一致。

CBASS磷脂酶類效應(yīng)蛋白的抗噬菌體免疫機(jī)制

　　綜上所述，該研究系統(tǒng)性地揭示了CBASS系統(tǒng)磷脂酶類效應(yīng)蛋白響應(yīng)環(huán)狀寡核苷酸信號(hào)分子后的自組裝及細(xì)胞殺傷機(jī)制，為深刻理解細(xì)菌抗病毒系統(tǒng)的作用模式提供了關(guān)鍵信息，并為基于該系統(tǒng)的分子生物學(xué)工具的開發(fā)提供了重要基礎(chǔ)。