噬菌体防御新机制：细菌 DSR2 系统的激活密码

为探究细菌防御相关沉默调节蛋白（DSR）系统激活机制，中国医学科学院等机构研究人员开展研究，揭示了枯草芽孢杆菌 DSR2 系统激活机制，为理解细菌抗噬菌体防御提供依据。

　　在微观的微生物世界里，细菌与噬菌体之间时刻上演着激烈的 “战争”。噬菌体，这种专门侵袭细菌的病毒，时刻威胁着细菌的生存。为了抵御噬菌体的进攻，细菌进化出了众多防御系统，其中含有沉默调节蛋白 2（SIR2）结构域的防御系统备受关注。这些系统能通过 SIR2 结构域的 NADase 活性，消耗细胞内的 NAD?，从而抑制噬菌体的繁殖。然而，SIR2 结构域在这些防御系统中是如何被激活的，一直是个未解之谜，就像隐藏在黑暗中的宝藏，等待着科研人员去挖掘。

为了揭开这个神秘的面纱，中国医学科学院病原生物学研究所的研究人员开展了一项深入的研究。他们把目光聚焦在枯草芽孢杆菌的防御相关沉默调节蛋白 2（DSR2）系统上，试图弄清楚这个系统是如何被激活，进而发挥抗噬菌体作用的。经过一系列艰苦的实验和分析，研究人员终于取得了重要突破，他们揭示了 DSR2 系统的激活机制，这一成果为我们理解细菌的抗病毒免疫提供了关键线索，就像在黑暗中点亮了一盏明灯。

在这项研究中，研究人员主要运用了冷冻电镜技术（cryo-EM）、细胞活力测定、体内生长曲线测定、细胞内 NAD?水平测量以及体外 NADase 活性测定等关键技术方法。通过冷冻电镜技术，他们得以解析蛋白的结构；利用各种测定方法，研究人员能够探究蛋白功能以及相关分子机制。

研究结果如下：

1. 枯草芽孢杆菌 DSR2 的结构：研究人员纯化并测定了枯草芽孢杆菌游离态 DSR2 蛋白的冷冻电镜结构。结果显示，游离态 DSR2 组装成一个细长的四聚体，由四个 N 端 SIR2 结构域聚集在中心，两对 C 端结构域（CTD）在 SIR2 核心两侧。同时，他们还发现了 DSR2 四聚体的一个片段，且该片段的断裂不太可能是由蛋白酶污染导致的。通过结构比对，研究人员发现 DSR2 的 SIR2 结构域与马链球菌 ThsA 的 SIR2 结构域相似，而 MID - CTD 区域则没有明显的结构同源物。此外，他们还确定了 DSR2 的 NAD?结合口袋及其中的保守催化残基1。
2. 枯草芽孢杆菌噬菌体 SPR 尾管蛋白的结构：为研究噬菌体 SPR 尾管蛋白（TTP）在 DSR2 激活中的作用，研究人员测定了 TTP 单独存在以及与 DSR2 四聚体结合时的结构。TTP 单体可自组装成右手螺旋管状结构，由六聚体环堆叠而成。TTP 单体包含两个结构域，D1 结构域形成管体，D2 结构域形成装饰。研究还发现了 TTP 组装过程中的分子间相互作用23。
3. DSR2 - SPR TTP 复合物的结构：研究人员通过共表达催化突变体（DSR2 H171A）与 SPR TTP 获得了用于冷冻电镜研究的样本，并测定了相关复合物的结构。结合 SPR TTP 改变了 DSR2 四聚体的整体尺寸，TTP 的结合模式类似于 “图钉” 穿透纸张。同时，TTP 与 DSR2 结合后发生了明显的构象变化，且 TTP - TTP 相互作用与 DSR2 - TTP 相互作用存在冲突。此外，研究人员还发现 DSR2 可能能够结合其他与 SPR TTP 序列和结构相似的噬菌体 TTP45。
4. SPR TTP 诱导的构象变化和 SIR2 激活：通过结构比较，研究人员发现 SPR TTP 结合诱导了 DSR2 四聚体的构象转变，使其从相对松散状态转变为刚性状态。同时，TTP 结合导致 SIR2 结构域中 NAD?口袋体积显著扩大，这有利于底物结合，进而激活 NADase 活性。通过细胞活力测定、体内生长曲线测定、细胞内 NAD?水平测量和体外 NADase 活性测定等实验，研究人员验证了上述结论676。

研究结论和讨论部分指出，研究人员提出了 DSR2 激活及其在抗噬菌体防御中作用的工作模型。在噬菌体感染过程中，DSR2 的 CTD 识别 TTP 单体，阻止其自组装成尾管，从而抑制病毒复制。同时，结合 TTP 导致 DSR2 发生构象变化，刚性增强，NAD?口袋扩大，激活 NADase 活性，消耗细胞内的 NAD?，最终导致感染细菌生长停滞或死亡。这一研究不仅揭示了 DSR2 系统的激活机制，还为理解细菌的抗病毒免疫提供了重要依据，为开发新型抗菌策略奠定了理论基础。此外，研究还发现 DSR2 与 ThsA 的 SIR2 结构域在激活和调节策略上可能存在保守性，这为进一步研究其他类似防御系统提供了方向。

总的来说，这项研究成果为我们理解细菌与噬菌体之间的相互作用提供了新的视角，为开发新型抗菌药物和策略提供了潜在的靶点和理论支持，具有重要的科学意义和应用价值。