在哺乳动物细胞中，外源DNA与细胞质中的环状GMP-AMP合成酶cGAS结合激活cGAS产生2’, 3’-cGAMP，其作为信号分子与下游的STING效应蛋白结合并诱导I型干扰素应答[1]。近期，在细菌中鉴定出了数千种名为CD NTase的cGAS样酶，这些酶在噬菌体感染期间通过未知机制被激活，并产生环状寡核苷酸以激活下游的效应蛋白，这种细菌免疫策略被定义为基于环状寡核苷酸的抗噬菌体信号系统（cyclic-oligonucleotide-based antiphage signaling system），简称为CBASS系统[2]。CBASS系统根据结构域的组成可分为四类，I型CBASS由一个紧凑的双基因系统组成，仅包含CD-NTase和效应蛋白基因，而II型、III型和IV型 CBASS中还包含可调节CD-NTase活性的特性基因[3]。
噬菌体感染细菌后将遭遇细菌免疫系统的抵抗，但噬菌体同时也采用多种策略对抗细菌的免疫系统，目前研究最清楚的是噬菌体可编码多种蛋白质以抑制宿主免疫系统如CRISPR-Cas以及限制性修饰系统，但目前尚不清楚噬菌体是否有抑制或逃避CBASS免疫系统的机制。近期美国哈佛大学Philip J. Kranzusch课题组发现了一个由噬菌体编码的抗CBASS系统的磷酸二酯酶（命名为Acb1，Anti-CBASS1），Acb1与真核病毒编码的poxin酶相似，具有切割环状寡核苷酸的功能[4]。
2023年2月6日，美国加州大学旧金山分校Joseph Bondy-Denomy课题组与北京化工大学冯越课题组合作在Cell在线发表了题为Bacteriophages inhibit and evade cGAS-like immune function in bacteria的研究论文，报道了噬菌体抑制和逃逸细菌CBASS免疫系统的机制。
CBASS系统的发现标志着原核和真核生物免疫系统之间的联系，但在这一新兴领域中，关于噬菌体-宿主进化以及CBASS调控和激活机制的许多问题尚未解决，而内源性CBASS模型系统可有效帮助这些问题的阐明。在本文中，Joseph Bondy-Denomy课题组通过生物信息学分析，共计筛选出252株不同的含有CBASS系统的P. aeruginosa菌株，使用CRISPR-Cas技术将其CBASS基因座敲除，最终筛选出一种具有天然功能性的CBASS免疫系统的菌株P. aeruginosa BWHPSA011 (Pa011)。该菌株含有cGAS样酶CdnA，其可产生3’, 3’-cGAMP用以响应PaMx41噬菌体感染，从而激活磷脂酶 (CapV) 效应蛋白，发挥CBASS系统的免疫功能。而PaMx41噬菌体的逃逸突变体可产生一种抗CBASS系统的蛋白Acb2，那么Acb2如何发挥其抗性功能呢？冯越教授课题组结合生物化学、结构生物学等多种手段，阐明了Acb2抑制CBASS系统的功能机制。首先，他们发现Acb2可高效结合3’, 3’-cGAMP分子，但不具有酶活。冯越课题组解析了Acb2蛋白及其结合3’, 3’-cGAMP的复合物的结构，结构显示Acb2蛋白自身为一个紧凑的六聚体结构，其可结合3个3’, 3’-cGAMP分子，每个3’, 3’-cGAMP分子位于两个Acb2单体N端形成的“结合口袋”中，形成稳定的相互作用。通过吸附并隔离3’, 3’-cGAMP，Acb2有效地破坏了CBASS系统的免疫作用（图1）。后续通过体外生化实验，他们又进一步证实了Acb2还可以结合c-di-AMP/3’, 3’-c-di-UMP/2’, 3’-cGAMP/3’, 3’-cUA/UG等多种寡核苷酸信号分子，覆盖I型和II型两种CBASS系统，显示出Acb2是一种基于cGAS酶的免疫系统的广谱抑制蛋白。此外他们还发现，Acb2的缺失会造成CBASS系统阻断噬菌体的复制及溶原诱导，但少数噬菌体会通过主要的衣壳基因的突变来逃避CBASS系统的免疫作用（图1）。
图1 Acb2蛋白抗CBASS系统的作用机制
综上，本文发现了内源性CBASS系统的抗噬菌体免疫作用，并提出了噬菌体抑制和逃避CBASS系统免疫的有效策略。Acb2蛋白作为广谱抑制蛋白，其可以通过结合多种环状寡核苷酸来抑制多种类型的CBASS系统。
美国加州大学旧金山分校博士研究生Erin Huiting与北京化工大学博士研究生曹雪利为本论文的共同第一作者，北京化工大学冯越教授与加州大学旧金山分校Joseph Bondy-Denomy教授为本文的共同通讯作者。
（来源：BioArt）
参考文献：
1. Ishikawa, H., and Barber, G.N. (2008). STING is an endoplasmic reticulum adaptor that facilitates innate immune signalling. Nature 455, 674–678. 10.1038/nature07317.
2. Cohen, D., Melamed, S., Millman, A., Shulman, G., Oppenheimer-Shaanan, Y., Kacen, A., Doron, S., Amitai, G., and Sorek, R. (2019). Cyclic GMP-AMP signalling protects bacteria 1014 against viral infection. Nature 574, 691–695. 10.1038/s41586-019-1605-5.
3. Millman, A., Melamed, S., Amitai, G., and Sorek, R. (2020). Diversity and classification of cyclic-oligonucleotide-based anti-phage signalling systems. Nat Microbiol 5, 1608–1615.10.1038/s41564-020-0777-y.
4. Hobbs, S.J., Wein, T., Lu, A., Morehouse, B.R., Schnabel, J., Leavitt, A., Yirmiya, E., Sorek, R., and Kranzusch, P.J. (2022). Phage anti-CBASS and anti-Pycsar nucleases subvert bacterial immunity. Nature 605, 522–526. 10.1038/s41586-022-04716-y.
链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0092867422015847?via%3Dihub