近日，上海交通大學生命科學技術(shù)學院微生物代謝全國重點實驗室鄭艦艇課題組在《Nature Communications》上發(fā)表題為“Filamentation activates bacterial Avs5 antiviral protein”的研究論文。該研究系統(tǒng)解析了細菌抗病毒蛋白EfAvs5的結(jié)構(gòu)和功能，揭示其通過獨特的纖維化組裝激活NADase活性的防御策略。上海交通大學生命科學技術(shù)學院博士研究生王逸群為第一作者，鄭艦艇副教授為通訊作者。

細菌與噬菌體的持續(xù)對抗推動了細菌抗病毒防御系統(tǒng)的演化。本文研究的細菌抗病毒EfAvs5（來自Escherichia fergusonii）屬于Avs（antiviral STAND）家族成員，與廣泛存在于動植物免疫系統(tǒng)中的核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域（NOD）樣受體（NLRs）具有進化關(guān)聯(lián)。EfAvs5包含三個功能模塊：SIR2效應(yīng)域、中央NOD及C端感應(yīng)域，賦予其抵御多種噬菌體入侵的能力。盡管已有研究報道了SIR2蛋白與STAND家族受體在原核與真核生物免疫系統(tǒng)中的功能，但其協(xié)同作用的分子機制仍不明確。

圖1.EfAvs5的抗噬菌體功能

研究證明了EfAvs5通過SIR2降解胞內(nèi)NAD?觸發(fā)抗病毒防御，其功能依賴于NOD結(jié)構(gòu)域的ATP結(jié)合能力及C端感應(yīng)域的構(gòu)象完整性。進一步發(fā)現(xiàn)，僅有形成纖維簇的EfAvs5才表現(xiàn)出顯著NADase活性，單體形式則完全無NADase活性。本研究進一步通過冷凍電鏡技術(shù)解析了EfAvs5纖維的高分辨率結(jié)構(gòu)，揭示了其獨特的多層次組裝模式。EfAvs5通過WHD-NBD鹽橋及SIR2-SIR2氫鍵形成C2對稱同源二聚體，二聚體間進一步通過螺旋對稱排列組裝為纖維核心。EfAvs5的纖維化組裝是由SIR2與NOD協(xié)同驅(qū)動的，這與此前報道的SIR2介導纖維組裝模式不同。C端感應(yīng)域通過靜電相互作用與相鄰纖維的SIR2結(jié)構(gòu)域頭尾相接，驅(qū)動了纖維簇的形成，賦予結(jié)構(gòu)額外的穩(wěn)定性。纖維化誘導SIR2二聚體界面重構(gòu)，穩(wěn)定了催化構(gòu)象。突變分析證明了二聚體形成、單纖維形成和纖維簇形成對于EfAvs5的抗噬菌體功能都是必須的。

圖2. EfAvs5的纖維結(jié)構(gòu)

免疫共沉淀-質(zhì)譜聯(lián)用與生化分析揭示噬菌體T7編碼的核苷酸激酶gp1.7誘導EfAvs5形成纖維簇，激活其NAD?水解酶活性，進而顯著增強細胞毒性，提示該蛋白可能作為噬菌體的“病原體相關(guān)分子模式”被免疫系統(tǒng)感知。另外，EfAvs5作為缺乏ATP水解活性的STAND蛋白，其抗噬菌體功能依賴于NOD結(jié)構(gòu)域?qū)TP的結(jié)合，ATP結(jié)合可能通過穩(wěn)定NOD的寡聚化構(gòu)象促進EfAvs5纖維組裝；然而，ATP的過量積累可非競爭性抑制其NADase活性。這種動態(tài)調(diào)控模式體現(xiàn)了細菌免疫系統(tǒng)在能量代謝與防御反應(yīng)間的精密平衡。

本文結(jié)合了結(jié)構(gòu)生物學、生物化學及微生物學等手段，揭示EfAvs5通過纖維化構(gòu)象重構(gòu)實現(xiàn)NADase活性精準調(diào)控的抗噬菌體新機制，闡釋超分子組裝在跨生命形式免疫信號傳導中的保守作用，并為理解噬菌體-宿主互作的分子博弈提供了新視角。

本項目得到了國家重點研發(fā)計劃和國家自然科學基金的資助。感謝國家蛋白質(zhì)科學中心、上海交通大學分析測試中心的技術(shù)支撐。

論文鏈接： https://doi.org/10.1038/s41467-025-57732-7

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