PNAS：细菌的"双保险锁"，哈尔滨工业大学黄志伟团队发现Ec78逆转录子用ATP和msDNA管住"自杀武器"

细菌和古菌不断遭受噬菌体、质粒和其他移动遗传元件入侵的挑战。通过长期进化，原核生物已进化出多种抗病毒防御系统，这些系统作用于噬菌体感染周期的不同阶段。逆转录子——原核遗传元件家族——在细菌中参与抗噬菌体防御。

经典逆转录子编码逆转录酶（RT）、非编码RNA（ncRNA）以及具有多种酶活性的同源效应蛋白或结构域。ncRNA由两个结构区域组成：msrRNA和msdRNA。RT利用msdRNA作为模板，并利用msrRNA内保守鸟苷的2′-羟基作为引物，合成多拷贝单链DNA（msDNA），同时内源性RNase H降解msdRNA模板。

根据效应组分的多样性，逆转录子被分类为13种不同类型。近期研究表明，逆转录子通过流产感染介导抗噬菌体免疫。在已充分表征的逆转录子系统中，效应蛋白作为具有特定酶活性的毒性组分发挥作用，而RT和msDNA共同作为抗毒素抑制效应物毒性。在噬菌体感染后，活化的效应蛋白触发程序性细胞死亡，从而保护细菌群体免受噬菌体增殖。

I-A型逆转录子包含两个酶促效应组分，称为PtuA和PtuB，二者共同构成I型Septu防御系统。PtuA包含一个ABC ATP酶结构域，PtuB包含一个HNH内切核酸酶结构域。在I型Septu系统中，PtuA和PtuB组装成六聚体复合物，切割噬菌体基因组DNA并限制噬菌体复制。

I-A型逆转录子系统，也称为II型Septu系统，主要包括逆转录子Ec78（亦称Eco7）、Ec83（亦称Eco4）、Vc95（亦称Vch1）及其同源物。近期研究已阐明逆转录子Ec83系统的机制，揭示了一种无差别切割ssDNA的解组装激活机制。与Septu系统类似，多种细菌防御系统（如Gabija系统、PARIS系统和Lamassu系统）也包含ABC ATP酶和内切核酸酶结构域。

Gabija系统利用GajA的ATP酶结构域感知细胞内ATP耗竭，这诱导Toprim结构域的构象变化以特异性切割dsDNA。在PARIS系统中，AriA ATP酶的ATP结合和水解促进了噬菌体触发蛋白Ocr的识别和相互作用，这诱导AriA的构象重排，导致AriB核酸酶的释放和随后的二聚化，以切割宿主tRNALys。

类似地，在Lamassu系统中，SMC ATP酶LmuB水解ATP以驱动LmuA内切核酸酶从LumABC复合物中解离，使活性LmuA四聚体得以形成，无差别切割dsDNA。所有这些防御系统均利用ABC ATP酶来调控其核酸酶活性。

图1.Retron Ec78系统抗噬菌体作用机制模型（摘自

PNAS

）

近期一项研究揭示了逆转录子Ec78系统利用其效应物PtuAB降解宿主tRNATyr。然而，Ec78免疫系统中PtuAB的抑制和激活机制仍然未知。在此，作者证明RT–msDNA和ATP两者均充当PtuAB活性的双重抑制剂：ATP结合PtuA的核苷酸结合结构域（NBD）稳定其紧凑构象并促进抑制性PtuAB四聚体的组装，而RT–msDNA广泛结合PtuAB效应复合物，稳定抑制性Ec78组装同时刺激ATP周转以使PtuAB准备快速激活。

噬菌体感染可能导致RT–msDNA从复合物解离以及细胞内ATP水平的快速下降，这促进ADP从PtuA释放，诱导PtuA构象变化，从而变构调控PtuAB四聚体的解组装和PtuB的核酸酶活性以切割宿主tRNATyr。作者的发现不仅阐明了逆转录子相关防御的精确调控机制，还突显了ABC ATP酶结构域在原核抗噬菌体免疫中的保守作用。

参考消息：https://doi.org/10.1073/pnas.2610082123