结构引导下的抗CRISPR与抗噬菌体防御蛋白发现

近年来，新型的抗噬菌体和抗CRISPR蛋白逐渐成为研究的热点，这不仅拓展了我们对宿主-噬菌体共进化的认识，也为基因编辑和微生物治疗提供了新的可能性。一项新研究采用蛋白质结构相似性分析和基因共定位方法，从超过6600万条噬菌体蛋白序列和33万个宏基因组中筛选抗噬菌体和反防御系统（anti-defense systems）。研究团队预测了约30万种蛋白的结构，并进行大规模比对，最终发现了一种来自Bacteroidota噬菌体的新型抗CRISPR蛋白（AcrVA5Bsp），以及一种来源于黏膜阿克曼菌的抗噬菌体防御蛋白（BxaP）。这两种蛋白的发现展示了结合蛋白结构特征和基因共定位信息的研究方法的优势。

图1 利用结构特征识别假定的 Acrs

抗CRISPR蛋白AcrVA5Bsp的发现

研究团队从噬菌体基因组中鉴定出具有抗CRISPR活性的蛋白AcrVA5Bsp。该蛋白与已知的AcrVA5具有高结构相似性（TM分数为0.84），尽管两者在序列上几乎没有相似性。实验表明，AcrVA5Bsp通过抑制Cas12a的DNA切割活性发挥作用，其机制可能涉及乙酰化修饰。进一步分析显示，该蛋白主要存在于Bacteroidota噬菌体中，标志着首次在这一类噬菌体中发现针对Cas12a的抑制剂。

图2 新鉴定的Acr蛋白抑制Cas12a

抗噬菌体防御蛋白BxaP的特性

BxaP是一种稀有的抗噬菌体蛋白，与III型噬菌体排除系统（BREX）共存，但可独立提供防御能力。在实验中，表达BxaP的细菌对T4噬菌体表现出强大的抗性。分析显示，BxaP的N端具有DUF4145结构域，与限制修饰系统相关，而C端可能涉及全局蛋白合成抑制，这与经典的自杀式感染中止（abortive infection, Abi）机制类似。

图3 BxaP 可能通过流产感染提供免疫力

这项研究不仅扩展了抗噬菌体和反防御系统的种类，还展示了基于蛋白结构特征研究宿主-噬菌体相互作用的新策略。这一方法可以突破传统序列比对的局限，发现那些序列相似性较低但具有相似功能的蛋白，为未来的基础研究和生物技术应用提供了新思路。例如，抗CRISPR蛋白有望在精准调控CRISPR系统方面发挥重要作用，而抗噬菌体蛋白则可能在噬菌体疗法中提高治疗效率。未来，研究人员可以通过进一步改进方法，探索更多未被发现的单基因和多基因防御系统。这将加深我们对细菌-噬菌体“军备竞赛”的理解，同时为开发新型抗菌策略和基因编辑工具奠定基础。

参考文献：Duan N, Hand E, Pheko M, Sharma S, Emiola A. Structure-guided discovery of anti-CRISPR and anti-phage defense proteins. Nat Commun. 2024 Jan 20;15(1):649. doi: 10.1038/s41467-024-45068-7. PMID: 38245560; PMCID: PMC10799925.