人类CD38 ADP-核糖酰化酶结构在抗菌和抗真核多态性毒素中的广泛应用

《Journal of Biological Chemistry》：Widespread deployment of the human CD38 ADP-ribosyl cyclase fold in antibacterial and anti-eukaryotic polymorphic toxins

本文鉴定并表征了Pantoea ananatis中的一种新型毒素结构域ARCtox，其结构与人类CD38的ADP-核糖基 cyclase域高度相似，可通过T6SS系统分泌并抑制细菌及真核细胞生长。分子机制研究表明ARCtox通过水解NAD+/NADP+发挥毒性作用，其免疫蛋白ARCimm通过直接结合阻断活性位点。比较基因组学显示ARC结构域广泛存在于细菌中，常与多种分泌系统（如T6SS、T7SS、CDI）结合，并表现出跨菌种交叉免疫特性。该研究揭示了细菌通过劫持宿主酶结构域发展新型代谢毒素的进化策略。

　　细菌在高度竞争的环境中生存，需要多种策略来获取资源并击败竞争对手。这种竞争不仅发生在细菌之间，也影响其与宿主的相互作用。研究发现，某些细菌通过使用模块化的毒素来实现这些目标，这些毒素能够通过专门的分泌系统（如类型IV、V、VI或VII分泌系统）传递到邻近细胞中，从而破坏其关键生理过程。这些毒素通常具有多结构域的特性，其中N端的转运域负责将毒素递送到目标细胞，而C端的效应域则赋予其毒性。随着进化，这些毒素的结构域可以被重新排列和专门化，产生多种酶活性，如核酸酶、蛋白酶、脂酶或针对NAD的酶。值得注意的是，许多细菌并非仅通过进化新结构域来实现毒性，而是选择性地利用与宿主相似的蛋白质结构，将其改造为适合微生物战斗的工具。

在这一背景下，研究团队发现了一种新的毒素结构域，它来自一种植物病原菌Pantoea ananatis，并且在结构和功能上与人类CD38酶高度相似。CD38是一种多功能的ADP-核糖基环化酶（ARC），在免疫细胞的激活和细胞内钙信号调节中发挥重要作用。研究发现，这种新的毒素结构域，被命名为ARC毒素（ARC^tox），与CD38的结构非常接近，包括其保守的二级结构和关键的催化残基。通过实验验证，ARC^tox能够在体外和体内有效水解NAD⁺和NADP⁺，从而抑制细菌和真核细胞的生长。这一发现不仅揭示了细菌如何利用类似人类的酶结构来实现毒性，还扩展了对多态性效应物功能范围的理解。

进一步的结构分析显示，ARC^tox的结构域具有与CD38类似的球形折叠，包括一个由四条β链组成的β片层，其上覆盖着由五个α螺旋构成的帽状结构。这种结构与CD38的催化活性位点高度相似，表明ARC^tox在催化机制上与CD38存在一定的保守性。研究团队通过突变实验验证了这些关键残基的重要性，发现替换其中的任何催化残基都会显著降低其毒性。这表明ARC^tox的活性依赖于这些特定的氨基酸残基，它们在结构和功能上与CD38的催化位点相似。

除了结构相似性，ARC^tox还与CD38在功能上表现出高度的一致性。通过高分辨率晶体结构和AlphaFold3预测模型，研究团队确认了ARC^tox能够有效地水解NAD⁺和NADP⁺，并将其转化为ADP-核糖和烟酰胺。这一过程与CD38在真核细胞中的作用相似，但ARC^tox在细菌中表现出独特的毒性效应。值得注意的是，虽然CD38可以生成环状ADP-核糖（cADPr），但ARC^tox在实验条件下未能检测到cADPr，这可能是因为其迅速水解为ADP-核糖。这一现象提示我们，ARC毒素可能更倾向于通过直接消耗NAD⁺和NADP⁺来实现毒性，而不是通过生成cADPr这一中间产物。

研究还发现，CD38类似的ARC结构域在细菌中广泛存在，通常与多种分泌和递送模块结合，如T6SS、T7SS、CDI系统等。这些结构域在不同细菌中被反复利用，表明它们在进化过程中具有高度的适应性和可塑性。例如，某些细菌将ARC结构域与T7SS相关LXG结构域结合，形成一种新的毒性模块。通过实验验证，这种结合的结构域在异源宿主中表现出毒性，并且其活性可以被对应的免疫蛋白所中和。这种结构域与免疫蛋白之间的相互作用进一步支持了它们在细菌竞争中的重要性。

此外，研究还发现，ARC毒素不仅可以作为细菌之间的竞争工具，还可能在与宿主的相互作用中发挥作用。通过在酵母细胞中进行毒性实验，研究团队确认了ARC毒素对真核细胞的毒性作用，这表明该毒素可能在植物感染过程中对宿主细胞产生影响。这种毒性可能通过干扰宿主细胞的代谢途径，特别是依赖NAD的信号传导过程，从而削弱宿主的免疫反应。考虑到Pantoea ananatis的T6SS在洋葱感染中的作用，这一发现进一步支持了ARC毒素在宿主-病原体相互作用中的潜在功能。

研究还探讨了ARC毒素的进化背景。通过基因组分析，研究团队发现ARC结构域在多种细菌中普遍存在，并且与不同的分泌系统相关。这种结构域的广泛分布和多样的功能模块表明，它们在进化过程中经历了多次适应和改造。这种结构域可能源于共同的祖先，也可能通过水平基因转移的方式被不同细菌独立利用。无论其起源如何，ARC毒素的结构和功能相似性表明，它们在细菌竞争和宿主-病原体相互作用中扮演着重要角色。

实验还展示了ARC毒素的可塑性和可工程化特性。研究团队成功地将ARC毒素与另一种分泌系统（CDI）结合，证明了其可以被重新定向到不同的递送模块中。这种能力使得ARC毒素不仅可以在细菌之间发挥作用，还可以在更广泛的生态和宿主环境中被利用。例如，ARC毒素可能被用于农业中的生物控制，或者在临床环境中作为新型抗菌剂。这种结构域的灵活性和功能多样性使其成为研究微生物武器和宿主-病原体相互作用的重要对象。

研究还涉及了免疫蛋白的作用机制。PANA_2923是一种与ARC毒素相互作用的免疫蛋白，能够中和其毒性。通过共纯化实验和结构分析，研究团队发现PANA_2923与ARC毒素的催化裂隙有密切的相互作用，其中一段环状结构进入裂隙，从而阻止毒素的活性。这种结构域的相互作用机制不仅揭示了毒素-免疫对之间的关系，还提供了对细菌如何保护自身免受毒素伤害的见解。

总的来说，这项研究揭示了细菌如何利用结构和功能相似于人类的酶来实现毒性，并展示了ARC毒素在细菌竞争和宿主-病原体相互作用中的多重功能。这些发现不仅加深了我们对细菌毒素多样性的理解，还为未来的合成生物学和抗菌策略提供了新的思路。ARC毒素的结构和功能相似性表明，细菌和真核生物在某些代谢途径上存在共通性，而这种共通性可能被细菌利用以增强其在生态和宿主环境中的生存能力。进一步的研究将有助于揭示这些毒素在更广泛的生物学过程中的作用，以及它们如何被细菌利用来实现特定的生物学目标。