研究团队通过分析 47,981 个抗防御系统，发现这些系统在不同物种中的分布存在差异，且部分基因会聚集在“抗防御岛”中。以大肠杆菌的 T4 和 Lambda 噬菌体为例，展示了抗防御基因的共定位现象。为深入理解宿主—噬菌体间的“军备竞赛”提供了新视角。

在过去30亿年的共同进化过程中，原核生物、噬菌体和移动遗传元件（MGEs）驱动了防御系统和抗防御系统的出现与多样化。抗防御蛋白具有多样的功能域，且通常较小，这使得在原核生物基因组中检测抗防御同源物变得困难。目前，尚无工具能够全面注释特定基因组或 MGEs 中的抗防御蛋白。进而，研究团队开发了一种名为“AntiDefenseFinder”的免费开源工具和网络服务，可在任何基因组序列中检测 156 种抗防御系统（一种或多种蛋白）。该工具的出现有望促进在 MGEs 中识别抗防御系统的完整谱系、发现新蛋白功能，以及加深对宿主—噬菌体军备竞赛的理解。

首先，研究使用了 RefSeq 原核生物完整基因组数据库（2022 年 7 月下载，包含 21,855 个基因组）和 GenBank 噬菌体基因组数据库（2023 年 12 月下载，包含 13,487 个基因组）。基于已有的 DefenseFinder 搜索参考工具和网络服务，构建了 AntiDefenseFinder 工具。该工具涵盖了 156 个抗防御系统家族，涵盖了 180 种蛋白。在 RefSeq 原核生物完整基因组数据库和 GenBank 噬菌体基因组数据库中，分别检测到 41,972 和 6,009 个抗防御系统。

同时，研究发现抗防御系统在原核生物物种中的频率和分布各不相同。在细菌中，anti-RM 和 anti-CRISPR（Acr）是最丰富的抗防御系统。在噬菌体中，anti-RM 也是最丰富的。研究还发现，在细菌中，埃希氏菌属（Escherichia）中检测到的抗防御系统数量最多（12,544 个，约占总数的 25%），其次是肺炎克雷伯菌属（Klebsiella，9,108 个）、葡萄球菌属（Staphylococcus，1,781 个）等。在噬菌体中，感染埃希氏菌属的噬菌体中检测到的抗防御系统数量最多（2,124 个，约占总数的 35%），其次是感染肺炎克雷伯菌属（453 个）、弧菌属（Vibrio，321 个）等的噬菌体。

研究团队还重点关注了 anti-Pycsar 蛋白1（Apyc1）。共检测到 2,301 个 Apyc1，其中 80.7% 编码在细菌的非 MGE 区域。通过构建细菌和噬菌体 Apyc1 的系统发育树，发现噬菌体 Apyc1 存在三个独立的单系类群，分支于细菌 Apyc1，表明噬菌体可能从细菌宿主中多次获取 Apyc1。通过对细菌和噬菌体 Apyc1 同源物的序列和结构分析，发现 Apyc1 序列都保留了催化位点，但在核苷酸结合环上表现出多样性。实验表明，具有结构保守核苷酸结合环的细菌 Apyc1 同源物能够强烈切割 cAMP、cGMP、cCMP 和 cUMP 信号，而一些具有缩短或延长的 Apyc1 特异性核苷酸结合环的同源物则表现出弱或无切割 cNMPs 的能力。

结果发现，抗防御系统在原核生物和噬菌体基因组中的分布具有差异性，且在某些物种中存在偏倚富集现象。这些发现提示我们，在新物种中发现抗防御系统对于更好地理解抗防御多样性至关重要。 约 66% 的已知抗防御基因单独编码，而非聚集在抗防御岛中。这一结果反映了发现新抗防御基因的必要性。 Apyc1 在细菌染色体中普遍存在，且可能被噬菌体多次利用以克服 cNMP 利用型防御系统。这一发现为深入理解宿主—噬菌体间的“军备竞赛”提供了新见解。

参考文献：Tesson F, Huiting E, Wei L, Ren J, Johnson M, Planel R, Cury J, Feng Y, Bondy-Denomy J, Bernheim A. Exploring the diversity of anti-defense systems across prokaryotes, phages, and mobile genetic elements. bioRxiv [Preprint]. 2024 Aug 21:2024.08.21.608784. doi: 10.1101/2024.08.21.608784. Update in: Nucleic Acids Res. 2025 Jan 07;53(1):gkae1171. doi: 10.1093/nar/gkae1171. PMID: 39229129; PMCID: PMC11370490.