分享一篇最近发表在 Science上的文章，本文的题目是“Recurrent acquisition of nuclease-protease pairs in antiviral immunity”。本文的核心是作者们发现，多种进化上不相关的细菌抗病毒免疫系统会反复“征用”同一对酶——一种预测的核酸酶和一种胰蛋白酶样蛋白酶，并通过“蛋白酶激活原核酸酶”的统一机制来执行免疫防御。本文的通讯作者是来自加州大学伯克利分校的 Jennifer A. Doudna。

细菌拥有多种多样的抗病毒免疫系统（如CRISPR-Cas、CBASS等），它们通过整合新基因到现有通路中来实现功能多样化。然而，这些新基因在不同系统中是否以相似机制发挥作用，仍是未解之谜。本研究关注了一对在多种免疫系统中反复共现的基因：一个编码金属-β-内酰胺酶（MBL）折叠水解酶超家族的预测核酸酶，另一个编码与不同防御酶融合的胰蛋白酶样蛋白酶。这些系统广泛存在于多种抗病毒免疫系统，如Hachiman、AVAST、Lamassu和DRT中。

为了探究这对酶的工作机制，作者首先研究了它们整合到Hachiman系统（本文中以PflHamMAB为例）的情况。细胞实验证实该系统能有效防御噬菌体EdH4。生化分析表明，核酸酶HamM以一种“酶原”形式存在，其活性位点被两个无序的插入区域所阻塞，每个区域都含有一个高度保守的异亮氨酸残基。只有当其伴侣蛋白酶（融合在HamA上）在感染感应后发生寡聚化，并特异性切割HamM上的这两个异亮氨酸位点后，HamM才会被激活，进而展现出强大的DNA降解活性。突变这些切割位点则会完全消除防御能力。

令人惊讶的是，这种“门控”核酸酶激活机制在另一个独立的AVAST免疫系统（以EpiAvs为例）中也高度保守。尽管AVAST通过感知特定噬菌体蛋白来触发免疫，与Hachiman的基因组完整性感应机制不同，但其核酸酶Avs1a同样具有阻塞活性位点的插入区域和保守的异亮氨酸切割位点。突变这些位点同样会削弱或消除AVAST的防御功能，并且在感染过程中观察到了相应的蛋白切割事件。这表明，尽管核酸酶-蛋白酶对在不同系统间发生了水平基因转移，但它们保守的核心激活机制被保留了下来。

进一步的系统发育分析还揭示了一个意外发现：一类核酸酶同源物与 caspase 家族蛋白酶共存于基因组位点中，作者将其命名为“caspase-nuclease”（canu）防御系统。对一个典型的三基因 canu 系统（KaeCanABC）的功能验证表明，它也能提供强大的抗噬菌体防御，且其防御能力依赖于 caspase（CanA）和核酸酶（CanC）的催化活性。生化实验证实，CanAB 复合物能够激活 CanC 的核酸酶活性。这揭示了原核生物中存在一种与真核细胞 caspase 激活通路相似的免疫机制。

总之，这项工作揭示了核酸酶-蛋白酶酶对作为一种模块化工具，在多种不相关的原核抗病毒免疫系统中被反复利用，并保守地通过蛋白酶激活原核酸酶的机制来行使功能。这不仅深化了我们对免疫系统进化和功能多样化的理解，其基于功能耦合（如共进化、活性位点阻塞插入）的策略还有助于发现新的免疫通路，例如与真核细胞凋亡有惊人相似性的 canu 系统。

本文作者：Zihua Liu

责任编辑：LYC

DOI：10.1126/science.aea8769

原文链接：https://doi.org/10.1126/science.aea8769