吴姗教授团队揭示细菌Retron系统抵抗噬菌体感染的分子机制

8月18日，湖北大学生命科学学院、省部共建生物催化与酶工程国家重点实验室吴姗教授团队与农业大学农业微生物国家重点实验室、洪山实验室蛋白质科学研究团队合作，在国际重要学术期刊《自然-微生物》（Nature Microbiology）杂志在线发表题为“大肠杆菌Ec86 retron复合物的结构和防御机制”的研究论文。该研究发现，细菌Retron免疫系统的逆转录酶、核酸分子和效应蛋白形成复合物，共同发挥抵御噬菌体感染的作用。研究团队提出了Retron系统与毒素-抗毒素系统类似的工作模型，揭示了一种全新的原核生物免疫防御机制。

细菌与噬菌体之间的军备竞赛使细菌的防御系统不断进化，科学家在研究细菌防御系统抵御噬菌体入侵的具体作用机制过程中，开发出多种生物技术工具。因此，研究新的细菌防御系统既有助于理解原核生物免疫进化，也有望挖掘新型基因操作工具。

上世纪80年代，细菌Retron元件首次被发现，由逆转录酶和非编码RNA组成。逆转录酶以非编码RNA为模板，合成msDNA(DNA-RNA嵌合体；图1)。近年来，研究者发现Retron存在于细菌基因组的防御岛上，与已知的限制修饰RM系统、毒素-抗毒素、CRISPR等免疫系统位置相邻。Retron与效应蛋白组成了一种新型原核生物免疫系统，在抵抗噬菌体感染的过程中发挥作用。但是，Retron元件如何与效应蛋白协同发挥抗噬菌体功能的分子机制尚不清楚。

图1以 Retron-Ec86 为例的retron msDNA 合成过程示意图

为了探索Retron系统抵御噬菌体侵染的分子机制，研究团队以Retron-Ec86作为研究对象，构建了生化表征体系，发现Retron系统中逆转录酶、msDNA和效应蛋白三者形成稳定复合物发挥功能（图2a）。研究团队进一步利用单颗粒冷冻电镜技术解析了Retron复合物两种状态（结合和未结合效应蛋白）的高分辨三维结构（图2b,c），在Retron复合物中，逆转录酶呈现典型的右手形状，成熟的msDNA分子通过带负电荷的磷酸骨架与逆转录酶的正电荷表面区域结合。效应蛋白与逆转录酶和msDNA均有直接相互作用，将互作界面的关键氨基酸位点突变后，细菌Retron系统不能发挥抵抗噬菌体感染的功能（图2d）。

根据以上发现，研究团队提出了细菌Retron系统的工作模型，效应蛋白与逆转录酶/msDNA形成复合物的方式与细菌毒素-抗毒素系统类似，当噬菌体感染细菌后，处于“抑制状态”的Retron三元复合物发生构象变化，效应蛋白被激活，发挥抵抗噬菌体活性（图2e）。这项研究结果揭示了一种全新的原核生物免疫防御机制，并为基于retron的基因编辑技术发展提供了分子基础。

图2. 细菌Retron-Ec86复合物的组装(a)、逆转录酶和msDNA的二元复合物结构(b)、Retron结合效应蛋白的三元复合物结构(c)、Retron系统抵抗噬菌体感染 (d)以及Retron系统的工作模型(e)

湖北大学生命科学学院吴姗教授和华中农业大学生命科学技术学院邹婷婷副教授为该论文的共同通讯作者，华中农业大学金双侠教授、殷平教授、孙明教授、陶攀教授和张德林副研究员等参与该研究。湖北大学冷冻电镜平台、华中农业大学电镜平台和国家蛋白质科学研究中心（上海）为该研究的开展提供了支持。该研究受到了国家重点研发计划、国家自然科学基金和湖北洪山实验室基金等项目的资助。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41564-022-01197-7