CARD 结构域介导细菌 gasdermin 系统中的抗噬菌体防御

1. 单细胞分析细菌中gasdermin介导的免疫

研究表明，当细菌细胞感染噬菌体后，gasdermin系统被激活，导致细胞膜受损，从而在噬菌体完成复制前引发细胞死亡，阻止了噬菌体的传播。通过时间序列显微镜观察，研究者们发现表达Lysobacter gasdermin系统的细胞在感染后45分钟开始出现膜损伤，而未表达gasdermin系统的对照细胞则在100分钟左右被噬菌体裂解。此外，噬菌体在感染表达gasdermin系统的细胞时无法复制，进一步证实了gasdermin系统作为一种细菌流产感染系统的作用。

2. CARD结构域对防御至关重要

研究者们对Lysobacter gasdermin操纵子中的基因进行了分析，发现除了编码gasdermin的基因外，还包括两个连续的编码具有胰蛋白酶样蛋白酶结构域的基因和一个编码ATP酶的基因。通过结构预测和晶体结构分析，研究者们发现第二个蛋白酶的极端N端存在一个未注释的约100个氨基酸的区域，该区域与人类NLR蛋白的CARD和PYD结构域具有高度相似性。实验结果表明，删除蛋白酶编码基因中的CARD结构域会导致抗噬菌体防御能力的丧失，表明CARD结构域在gasdermin防御系统中是必不可少的。

3. 防御系统编码CARD结构域

在发现依赖CARD结构域的细菌防御机制后，研究者们进一步探索了是否存在其他使用CARD结构域的噬菌体抗性系统。通过序列同源性搜索，研究者们鉴定了多个细菌基因组中的CARD编码蛋白酶，这些蛋白酶被编码在与Lysobacter gasdermin系统相似的操纵子中。这些操纵子在多个细菌基因组中被发现，其中大多数情况下，gasdermin编码基因被其他基因所替代，这些基因编码具有内切酶和磷脂酶结构域，这些结构域通常在其他细菌防御系统中作为效应子发挥作用。

4. CARD结构域介导蛋白质-蛋白质相互作用

为了深入了解CARD结构域在Lysobacter gasdermin防御系统中的作用，研究者们使用AlphaFold2-Multimer模型预测了防御系统组分之间的潜在蛋白质-蛋白质相互作用。模型预测NLR样蛋白和CARD含有的蛋白酶之间存在广泛的相互作用。通过共免疫沉淀实验，研究者们证实了这两种蛋白之间的相互作用，并进一步证实了CARD结构域对这两种蛋白之间相互作用的贡献。

5. RIIB激活细菌gasdermin

尽管gasdermin防御系统提供了有效的保护，但研究者们注意到，在高浓度噬菌体感染时，仍有少量噬菌体能够形成斑块。通过对逃避gasdermin介导防御的T6噬菌体突变体进行基因组测序，研究者们发现这些突变体在rIIB基因中只有单一突变。这表明消除该噬菌体蛋白的表达足以逃避gasdermin介导的防御。此外，单独在细胞中表达RIIB基因足以激活gasdermin切割，表明gasdermin系统能够感知RIIB或其对细胞的影响。

这些发现揭示了CARD结构域在细菌先天免疫系统中的古老组成部分，并且表明CARD依赖的gasdermin激活在生命之树上的生物中是共享的。这些结果不仅增进了我们对细菌如何通过gasdermin系统防御噬菌体感染的理解，而且为未来可能的抗菌策略提供了新的视角。

文章来源：10.1038/s41586-024-08498-3