《Cell》巨型噬菌体杀手免疫系统：靶向大型噬菌体早期感染的关键防线

《Cell》：Jumbo phage killer immune system targets early infection of nucleus-forming phages

　　

在微生物的世界里，细菌与噬菌体之间的 “战争” 从未停歇。噬菌体，这种专门感染细菌的病毒，进化出了众多巧妙的策略来确保自身的复制、组装和宿主裂解，而细菌也不甘示弱，发展出一套套防御机制来对抗噬菌体的入侵。其中，fKZ 样巨型噬菌体（基因组大于 200 kb）因其独特的感染方式备受关注。这类噬菌体在感染过程中会组装一种基于脂质的早期噬菌体感染（EPI）囊泡和一种蛋白质核样结构，这些结构能够保护噬菌体免受核酸酶的攻击，使得已知的 DNA 靶向免疫系统对其束手无策。目前，RNA 靶向的 CRISPR 系统虽能阻止其传播，但相对罕见，且在铜绿假单胞菌（P. aeruginosa）中并不存在。因此，铜绿假单胞菌和大多数受 fKZ 样噬菌体感染的宿主如何对抗这些具有特殊保护机制的噬菌体，成为了亟待解决的科学问题。

为了解开这一谜团，来自美国加利福尼亚大学旧金山分校、北京化工大学、欧洲分子生物学实验室等多个机构的研究人员展开了深入研究。他们的研究成果发表在《Cell》杂志上，为我们揭示了一种名为 “巨型噬菌体杀手”（Juk）的免疫系统，这一发现为理解细菌与噬菌体的相互作用提供了新的视角，也为开发新型抗菌策略奠定了基础 。

研究人员主要运用了以下几种关键技术方法：一是构建铜绿假单胞菌 PA14 转座子突变文库，通过感染 fKZ 噬菌体并进行下一代测序，筛选出与 fKZ 敏感性或抗性相关的突变基因；二是利用荧光显微镜和成像技术，观察噬菌体感染过程中细胞内的变化，如 Juk 蛋白的定位、噬菌体基因组的动态等；三是采用定量 PCR（qPCR）和逆转录定量 PCR（RT-qPCR）技术，检测噬菌体 DNA 和基因表达水平的变化；四是通过蛋白质纯化、结晶和结构解析技术，研究 JukB 蛋白的结构和功能 。

研究结果如下：

1. 发现靶向 fKZ 样巨型噬菌体的免疫系统：研究人员通过感染一系列铜绿假单胞菌临床分离株，发现约 50% 的菌株对 fKZ 感染具有抗性。进一步研究发现，PA14 菌株在低感染复数（MOI）下能抵抗 fKZ 感染，但在高 MOI 下生长会受到抑制。通过构建 PA14 转座子突变文库并筛选，确定了 Juk 基因（jukA 和 jukB），它们组成的操纵子对抵抗 fKZ 感染至关重要。Juk 系统对 fKZ 相关的核形成巨型噬菌体具有特异性，对其他无关噬菌体则无作用。

2. Juk 系统作用机制探究：Juk 系统不通过已知的免疫机制发挥作用，如影响噬菌体吸附、具有核酸酶活性或触发流产感染。通过荧光显微镜和 qPCR 等实验发现，Juk 系统作用于 fKZ 感染的早期阶段，可阻止噬菌体基因组进入 EPI 囊泡，导致噬菌体 DNA 降解，抑制早期基因表达，进而阻断噬菌体的复制和核组装 。

3. JukA 作为感染传感器的作用：研究人员通过荧光标记 JukA 和 JukB，发现 JukA 在 fKZ 感染时能迅速聚集到细胞极点，与 EPI 囊泡结合，而 JukB 的定位依赖于 JukA。进一步研究表明，噬菌体蛋白 gp241 可直接与 JukA 结合，并增强 JukA 与 JukB 的结合，从而招募 JukB 到感染位点 。

4. JukB 的结构与功能：研究人员解析了 JukB 的结构，发现它形成四聚体，与孔形成毒素具有结构相似性。体外实验表明，JukB 可破坏模拟 EPI 囊泡的脂质体，推测其通过在 EPI 囊泡膜上形成孔，干扰早期噬菌体基因表达，阻止感染进程 。

5. Juk 系统的多样性：JukA 在多种细菌门中广泛存在，且与多种不同的效应器相关。研究人员测试了 18 个包含 JukA 的操纵子，发现其中部分可提供对 fKZ 相关巨型噬菌体的特异性免疫。此外，研究还发现 fKZ 可能编码除 gp241 外的冗余触发因子，激活 Juk 系统 。

在讨论部分，研究人员指出，JukA 传感器蛋白能直接结合早期基因产物 gp241，并迅速定位到噬菌体感染的极点。Juk 系统激活后，会干扰 EPI 囊泡的正常功能，阻止噬菌体进入蛋白质核阶段。不同的 Juk 系统可能采用不同的策略来破坏 EPI 囊泡，且 Juk 系统在识别特定噬菌体因子和靶向 EPI 囊泡方面具有特异性。然而，该研究也存在一些局限性，如尚未确定参与噬菌体 DNA 降解的核酸酶，需要进一步研究 Juk 系统与 EPI 囊泡的相互作用机制，以及鉴定激活 Juk 系统的其他噬菌体因子等 。

总的来说，这项研究发现的 Juk 系统为细菌对抗 fKZ 样巨型噬菌体提供了新的免疫机制。它不仅揭示了细菌免疫系统的多样性和复杂性，也为开发针对巨型噬菌体感染的新型治疗策略提供了潜在的靶点。未来，随着对 Juk 系统研究的深入，有望为解决噬菌体感染相关的问题带来新的突破 。