细菌结合泛素样蛋白来干扰噬菌体的组装

由Bil系统进行的Ubl共轭

研究团队发现，在噬菌体感染过程中，细菌的防御系统能够特异性地将泛素样蛋白结合到噬菌体的中央尾纤维（central tail fibre, CTF）上，这是噬菌体尾部尖端的一种蛋白质，对于尾部组装和识别目标宿主受体至关重要。感染后，携带这种防御系统的细胞会释放出部分组装的无尾噬菌颗粒和完全组装的噬菌体，其中中央尾纤维被共价结合的泛素样蛋白阻塞。这些噬菌体表现出严重受损的感染性，这解释了防御系统如何保护细菌群体免受噬菌体感染的传播。

Bil系统破坏噬菌体组装

通过液体培养感染实验和电子显微镜观察，研究者发现Bil系统表达的细菌在低MOI感染时能够存活，但在高MOI感染时培养崩溃，表明Bil系统允许噬菌体完成其复制周期，但阻止了感染性噬菌体后代的产生。通过CsCl梯度离心和纳米粒子跟踪分析（NTA）发现，Bil系统表达的细菌产生的噬菌体在CsCl梯度中形成两个不同的带，其中一个带的密度更高，表明产生了更高密度的颗粒。这些高密度颗粒主要由无尾噬菌体组成，解释了为何这些颗粒不具感染性。研究结果表明，Bil系统通过干扰噬菌体组装，产生无尾噬菌体和感染性降低的有尾噬菌体，从而保护细菌群体免受噬菌体感染的传播。

CTF是Bil系统的目标

通过使用带有HA标签的Bil系统变体，研究者能够证明Ubl蛋白与噬菌体的CTF发生了共价结合，这一结合导致了噬菌体尾部组装的抑制，产生无尾噬菌体，以及尾部尖端被Ubl阻塞的有尾噬菌体，后者的感染性受损。实验中，研究者利用免疫沉淀和西方印迹分析从噬菌体中提取的蛋白质，发现了一个大约150 kDa的带，这表明Ubl与单个噬菌体蛋白CTF发生了结合。质谱分析确认了这个带确实是Ubl-CTF加合物。此外，研究还发现Bil系统对CTF具有特异性，因为它不与噬菌体的其他尾部蛋白如侧尾纤维（STF）发生共价结合。进一步的免疫金标记透射电子显微镜实验显示，带有HA标签的Ubl蛋白主要在噬菌体尾部尖端的CTF位置处被发现，这证实了Bil系统确实将Ubl蛋白附着在噬菌体的CTF上。由于CTF包含噬菌体的受体结合域，研究者提出Ubl与CTF的结合可能干扰噬菌体吸附和向细菌宿主注入其DNA的能力。实验结果支持了这一假设，表明Bil系统衍生的噬菌体在感染时积累的DNA显著减少，表明Ubl与CTF的结合抑制了DNA的注入 ，揭示了Bil系统如何通过靶向噬菌体CTF来提供抗噬菌体防御。

远距离噬菌体的CTFs是目标

在这一部分研究中，作者探讨了Bil系统如何针对不同种类的噬菌体，特别是其中央尾纤维（CTF）。研究表明，Bil系统能够有效地防御多种不同分类的噬菌体，包括SECphi27和SECphi4。尽管这两种噬菌体在基因组上没有明显的序列相似性，但研究发现SECphi27的CTF与SECphi4的CTF在氨基酸水平上具有约34%的序列同一性，并且在结构上也显示出显著的相似性。作者通过免疫沉淀和西方印迹分析，确认了SECphi4的CTF同样能够与Bil系统的Ubl蛋白发生共价结合，形成Ubl-CTF加合物。这一发现表明，Bil系统的防御机制是针对CTF的，而不仅仅限于某一种噬菌体。此外，研究还发现Bil系统能够识别并结合不同噬菌体的CTF，显示出其广泛的防御能力。为了进一步验证这一机制，研究者进行了共表达实验，发现Bil系统能够特异性地将Ubl蛋白结合到SECphi27的CTF上，而对其他尾部蛋白如侧尾纤维（STF）则没有这种结合。这一特异性结合的结果通过免疫金标记透射电子显微镜实验得到了进一步支持，观察到大多数金标记的噬菌体颗粒仅在尾部尖端的CTF位置被标记。此外，研究者还通过感染实验测量了Bil系统衍生噬菌体的DNA注入效率，结果显示，Bil系统标记的噬菌体在感染时导致细胞内积累的DNA显著减少，表明Ubl与CTF的结合抑制了噬菌体的DNA注入能力。这些结果表明，Bil系统通过靶向不同噬菌体的CTF，干扰其组装和感染过程，从而为细菌提供了有效的抗噬菌体防御。

参考来源：https://doi.org/10.1038/s41586-024-07616-5