近日，我校华西医院生物治疗全国重点实验室余雅梅/陈强团队与美国俄亥俄州立大学傅天民课题组合作，在《Nature Structural & Molecular Biology》杂志发表论文“PtuA and PtuB assemble into an inflammasome-like oligomer for anti-phage defense”，揭示了新型抗噬菌体防御系统Septu的分子组装与抗噬菌体机制。四川大学余雅梅副研究员、陈强研究员，俄亥俄州立大学傅天民助理教授为该文共同通讯作者；生物治疗全国重点实验室博士生李媛媛、张萌原，俄亥俄州立大学博士后沈张飞、博士生杨晓媛为共同第一作者。

噬菌体是寄生于细菌的病毒，在感染细菌后会利用细菌内的资源进行复制、转录以及翻译噬菌体所需蛋白。细菌频繁受到噬菌体入侵的威胁，在数亿年的生存斗争中进化出了一系列抵抗噬菌体的防御系统，如经典的限制性修饰（RM）系统、CRISPR/Cas系统、毒素-抗毒素(TA)系统等。Septu系统是近年来基于“防御岛”特性，运用生物信息学技术筛选出来的新型抗噬菌体防御系统。

Septu系统由PtuA和PtuB两个蛋白组成，PtuA包含ATP酶结构域，PtuB为HNH核酸酶家族成员。该研究采用冷冻电镜技术解析了分辨率为2.93 Å的PtuA和2.7 Å的PtuA-PtuB复合物的结构（图1）。

图1. PtuA-PtuB复合物冷冻电镜结构

PtuA以不对称形式组成马蹄形六聚体，该六聚体由三个PtuA二聚体组成，一个中心二聚体结合了两个ATP分子，两个侧面二聚体各结合了一个ATP分子。在PtuA-PtuB复合物中，PtuA六聚体作为骨架，与PtuB以6:2的分子比形成帽子形复合物。其中PtuA形成的马蹄形六聚体骨架组成了“帽身”，两个侧PtuA二聚体分别与一个PtuB蛋白结合，形成了“帽檐”。PtuA的每个侧面二聚体与一个PtuB分子相互作用，而中心二聚体则不结合PtuB分子，这暗示ATP的离开可能会引起PtuA的构象变化，从而招募PtuB。

该论文对PtuA的ATP酶活以及PtuA-PtuB复合物的核酸酶活性进行验证，证明PtuA仅能结合但无法水解ATP，PtuA-PtuB具有较强的核酸切口酶活性，并且受ATP的调控。体内实验的结果证明Septu系统可以直接抑制噬菌体的复制。综合以上数据，该论文总结Septu系统的作用机制为：噬菌体的入侵会激活PtuA进而募集PtuB形成复合物，大量切割噬菌体的核酸，影响噬菌体的复制，而NTP可以抑制其活性，这可能是激活Septu系统的信号分子（图2）。

图2. Septu系统抵抗噬菌体感染的分子机制模式图

该研究以PtuA和PtuA-PtuB复合物的冷冻电镜结构为基础，结合体内活性和蛋白质功能研究，完整阐释了Septu系统抵抗噬菌体感染的分子机制，并提出这一系统与哺乳动物免疫系统中的NLRC4炎症小体的作用机制类似，这暗示着哺乳动物免疫系统相关蛋白可能起源于细菌的抗噬菌体防御系统。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41594-023-01172-8