噬菌體對(duì)細(xì)菌的攻擊并非100%有效

細(xì)菌成功的眾多秘密之一是它們保護(hù)自己免受病毒(稱為噬菌體)侵害的能力，這種病毒感染細(xì)菌并利用其細(xì)胞機(jī)制復(fù)制自己。

技術(shù)的進(jìn)步使得最近能夠識(shí)別這些系統(tǒng)中涉及的蛋白質(zhì)，但科學(xué)家們?nèi)栽谏钊胪诰蜻@些蛋白質(zhì)的作用。

在一項(xiàng)新的研究中，俄亥俄州立大學(xué)的一個(gè)研究小組報(bào)告了一種最常見的抗噬菌體系統(tǒng)的分子組裝，這種系統(tǒng)來自一種叫做Gabija的蛋白質(zhì)家族，據(jù)估計(jì)，地球上所有細(xì)菌物種中至少有8.5%到18%都使用這種系統(tǒng)。

研究人員發(fā)現(xiàn)，一種蛋白質(zhì)似乎具有抵御噬菌體的能力，但當(dāng)它與伴侶蛋白質(zhì)結(jié)合時(shí)，產(chǎn)生的復(fù)合物非常擅長(zhǎng)剪切入侵噬菌體的基因組，使其無法復(fù)制。該研究的共同主要作者、俄亥俄州立醫(yī)學(xué)院生物化學(xué)和藥理學(xué)博士后學(xué)者Zhangfei Shen說“我們認(rèn)為這兩種蛋白質(zhì)需要形成復(fù)合物才能在噬菌體預(yù)防中發(fā)揮作用，但我們也相信一種蛋白質(zhì)單**有一些抗噬菌體功能。第二種蛋白質(zhì)的全部作用還需要進(jìn)一步研究。”研究人員說，這些發(fā)現(xiàn)增加了對(duì)微生物進(jìn)化策略的科學(xué)理解，有一天可能會(huì)轉(zhuǎn)化為生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。

Shen和共同一作Xiaoyuan Yang在資深作者、俄亥俄州立大學(xué)生物化學(xué)和藥理學(xué)助理教授Tianmin Fu的實(shí)驗(yàn)室工作。

這項(xiàng)研究發(fā)表在4月16日的《Nature Structural & Molecular Biology》雜志上。

構(gòu)成這種防御系統(tǒng)的兩種蛋白質(zhì)被稱為Gabija A和Gabija B，或簡(jiǎn)稱GajA和GajB。

研究人員使用低溫電子顯微鏡分別確定了GajA和GajB的生化結(jié)構(gòu)，以及所謂的超分子復(fù)合物GajAB的生化結(jié)構(gòu)，當(dāng)兩者結(jié)合形成由每種蛋白質(zhì)的四個(gè)分子組成的簇時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生GajAB。

在使用蠟樣芽孢桿菌作為模型的實(shí)驗(yàn)中，研究人員觀察了噬菌體存在時(shí)復(fù)合物的活性，以深入了解防御系統(tǒng)是如何工作的。

盡管GajA單獨(dú)顯示出可以使噬菌體DNA失效的活性跡象，但它與GajB形成的復(fù)合物在確保噬菌體無法接管細(xì)菌細(xì)胞方面要有效得多。

“這就是神秘的部分，”Yang說。“GajA本身就足以分裂噬菌體細(xì)胞核，但當(dāng)我們將它們一起孵育時(shí)，它也會(huì)與GajB形成復(fù)合物。我們的假設(shè)是GajA識(shí)別噬菌體的基因組序列，但GajB增強(qiáng)了這種識(shí)別并幫助切割噬菌體DNA。”

這種復(fù)合物的大尺寸和細(xì)長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)使得很難全面了解GajB與GajA結(jié)合時(shí)的功能貢獻(xiàn)，這使得研究小組對(duì)蛋白質(zhì)的作用做出了一些尚未得到證實(shí)的假設(shè)。

Shen說:“我們只知道GajB有助于增強(qiáng)GajA活性，但我們還不知道它是如何起作用的，因?yàn)槲覀冎辉趶?fù)合體上看到了大約50%的GajA。”

他們的一個(gè)假設(shè)是，GajB可能會(huì)影響細(xì)胞環(huán)境中一種能量來源——核苷酸ATP(三磷酸腺苷)的濃度水平——具體來說，是通過在檢測(cè)到噬菌體存在時(shí)驅(qū)使ATP下降。楊說，這將具有擴(kuò)大GajA噬菌體DNA活性和竊取噬菌體開始復(fù)制所需能量的雙重效果。

關(guān)于細(xì)菌抗噬菌體防御系統(tǒng)還有更多需要了解的，但這個(gè)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)表明，阻止病毒復(fù)制并不是細(xì)菌武器庫(kù)中**的武器。在之前的一項(xiàng)研究中，他們描述了一種不同的防御策略:細(xì)菌自己編程死亡，而不是讓噬菌體接管一個(gè)群落。

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