Cell Host & Microbe | 韩文元团队发现原核Argonaute系统介导免疫响应新机制

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微生物与入侵它们的病毒间的斗争与共同进化已经持续几十亿年。这种斗争迫使微生物进化出了多种免疫系统来抵御病毒的入侵。例如，较为大家熟知的CRISPR-Cas系统在小RNA的介导下识别并降解病毒的DNA，从而提供免疫保护。与CRISPR-Cas系统类似，Argonaute（Ago）也具有核酸介导的核酸识别、切割功能。有趣的是，Ago是一类真核和原核生物共有的免疫蛋白。真核Ago结合一小段RNA作为向导，在其引导下特异性识别并切割靶RNA，参与抵御病毒和转座子的入侵、基因表达调控等功能。已研究的原核Ago则往往通过DNA介导的DNA切割发挥免疫功能【1】。然而，生物信息学分析预测了一类短型、缺失核酸酶活性的原核Ago蛋白【2】。这类Ago约占全部原核Ago的一半，却长期以来缺乏研究。

2022年5月19日，华中农业大学韩文元团队在Cell Host & Microbe杂志以Article形式在线发表了解析短型原核Ago系统免疫功能的研究成果。成果论文以A short prokaryotic Argonaute activates membrane effector to confer antiviral defense 为题，报道了一种古菌Ago在识别病毒入侵后激活跨膜毒性效应蛋白，通过引发细胞膜去极性化杀死被感染的细胞，从而抑制病毒增殖并为细胞群体提供免疫保护。这种免疫策略被称为流产感染（abortive infection），为多种免疫系统采用。

研究人员在冰岛硫化叶菌（Sulfolobus islandicus）中发现了编码短Ago蛋白的保守基因簇，该基因簇另外还编码一个可能的转录调控因子（AgaR）与两个未知功能的蛋白（Aga1与Aga2），预示它们可能组成免疫系统（SiAgo system）协同发挥作用。研究人员在不含该基因簇的菌株中表达了Ago、Aga1与Aga2，然后分析表达菌株对病毒入侵的响应。结果显示，SiAgo系统能够同时抑制病毒增殖与菌株生长，被感染的细胞快速出现了细胞膜去极性化的现象，这说明SiAgo系统通过介导流产感染抵御病毒入侵。

通过一系列遗传学、生物化学和结构生物学分析，韩文元课题组初步解析了Ago、Aga1与Aga2的功能（图1）。Ago和Aga1组成稳定的二元复合体，且具有核酸片段介导的特异性识别互补核酸的能力。Aga2是一个跨膜蛋白，作为毒性因子发挥功能，在过量表达时能够导致细胞膜去极性化。Aga2特异性结合磷脂酸和磷脂酰肌醇磷酸，这种特性与动物细胞中多种介导程序性细胞死亡的蛋白相似，反映了古菌与动物细胞自杀机制的保守性。另外，Ago-Aga1复合体直接与Aga2相互作用，且在病毒入侵后更多地被招募到细胞膜上。依据上述结果，研究人员提出了SiAgo系统的工作模型：Ago-Aga1复合体通过核酸识别感知病毒入侵，然后通过直接互作激活Aga2介导细胞膜去极性化，从而杀死被感染的细胞。

值得一提的是，在本研究处于审稿阶段时，一篇发表于Cell的论文发现了一种短Ago能够激活NAD(P) 酶，通过降解胞内NAD(P) 实现抗质粒免疫【3】；一篇发表于bioRxiv的论文则报道了一种VI型CRISPR-Cas系统激活膜关联蛋白，通过细胞膜去极性化实现抗病毒免疫【4】。本研究与这些研究共同揭示了一种新型免疫模式：Ago与CRISPR-Cas系统利用核酸特异性识别的能力感知病毒入侵，然后激活相关的效应蛋白，通过流产感染或其它方式提供免疫保护。

图1. SiAgo系统介导流产感染的模型及各组分的功能

另：博士后与研究助理招聘

华中农业大学韩文元课题组主要研究方向为：1）微生物抗病毒免疫机制；2）CRISPR-Cas技术的应用与优化。欢迎对此感兴趣并有微生物学、生物化学和生物信息学背景的青年科学家来信交流。课题组将提供良好的科研发展机会及优越的待遇。

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原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.chom.2022.04.015

制版人：十一

参考文献

1. Swarts, D.C., Jore, M.M., Westra, E.R., Zhu, Y., Janssen, J.H., Snijders, A.P., Wang, Y., Patel, D.J., Berenguer, J., Brouns, S.J.J. et al. (2014) DNA-guided DNA interference by a prokaryotic Argonaute. Nature, 507, 258-261.

2. Ryazansky, S., Kulbachinskiy, A. and Aravin, A.A. (2018) The Expanded Universe of Prokaryotic Argonaute Proteins. mBio, 9, e01935-01918.

3. Koopal, B., Potocnik, A., Mutte, S.K., Aparicio-Maldonado, C., Lindhoud, S., Vervoort, J.J.M., Brouns, S.J.J. and Swarts, D.C. (2022) Short prokaryotic Argonaute systems trigger cell death upon detection of invading DNA. Cell, DOI: 10.1016/j.cell.2022.03.012.

4. VanderWal, A., Park, J., Polevoda, B., Kellogg, E. and Connell, M. (2021) CRISPR-Csx28 forms a Cas13b-activated membrane pore required for robust CRISPR-Cas adaptive immunity. BioRxiv, https://doi.org/10.1101/2021.11.02.466367.

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