Mol Cell | 浙江大学冯钰/华孝挺揭示Eco8介导的抗噬菌体防御的分子机制

大肠杆菌Eco8是一种抗噬菌体防御系统，由逆转录酶、3类克服溶原化缺陷（OLD）核酸酶以及一种称为多拷贝单链DNA（msDNA）的DNA-RNA嵌合体组成。遗传学和生物化学数据表明，Eco8介导的抗噬菌体防御由噬菌体单链DNA（ssDNA）结合蛋白触发，但其结构基础尚不明确。

2025年10月30日，浙江大学冯钰和华孝挺共同通讯在Molecular Cell 在线发表题为“Molecular mechanism of Eco8-mediated anti-phage defense”的研究论文，该研究证实OLD核酸酶的DNA切割活性与ATP水解活性对Eco8介导的抗噬菌体防御至关重要。

作者进一步通过冷冻电镜技术解析了Eco8单独存在及其与T7噬菌体单链DNA结合蛋白复合物的结构。结构分析表明，逆转录酶、msDNA与OLD核酸酶以4:4:4的化学计量比形成巨型复合物。T7噬菌体单链DNA结合蛋白可解旋msDNA，并将Eco8转化为ATP依赖的DNA降解机器。本研究不仅阐明了Eco8介导的抗噬菌体防御的分子机制，同时验证了msDNA作为噬菌体DNA修饰/结合蛋白传感器的功能。

1984年，Inouye及其同事在黄色粘球菌中发现了一种短链多拷贝单链DNA（msDNA）。后续研究表明，msDNA通过2′-5′磷酸二酯键与RNA共价连接。进一步研究发现，msDNA是由称为逆转录子的基因盒所产生。每个逆转录子编码一个非编码RNA（ncRNA）和一个逆转录酶（RT）。该逆转录酶以ncRNA的部分序列（msd）为模板合成msDNA。ncRNA的5′和3′末端具有互补性并可形成双链结构，而紧邻双链区的一个保守鸟嘌呤的2′羟基则作为逆转录反应的引物。msd RNA最终被RNase H降解，从而形成成熟的msDNA。

由于具有产生单链DNA（ssDNA）的能力，逆转录子在基因组编辑领域展现出巨大潜力。然而，其真正的生物学功能一直存在争议，直至研究发现逆转录子能够保护细菌免受噬菌体感染。尽管所有逆转录子都包含msDNA和逆转录酶，但其辅助结构域/蛋白存在显著差异，提示其作用机制各不相同。根据辅助结构域/蛋白的组成，逆转录子可被分为13种类型。目前，仅有II型逆转录子Eco1的抗噬菌体防御结构基础得到阐明。Eco1与其辅助蛋白可形成丝状结构，该结构可被噬菌体编码的DNA胞嘧啶甲基转移酶激活。激活后的Eco1通过耗尽细胞内的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）来阻断噬菌体感染。

模式流程图（图片源自Molecular Cell ）Eco8作为一种I型逆转录子，由逆转录酶、非编码RNA和克服溶原化缺陷（OLD）核酸酶组成。根据遗传背景的不同，OLD核酸酶可分为三类。第1类作为独立基因发挥作用，而第2类和第3类则分别是Gabija和Eco8防御系统的组成部分。尽管第1类和第2类OLD核酸酶已获得生物化学和结构学研究，但第3类如何感知噬菌体感染并执行抗噬菌体功能的机制仍不明确。最近一项研究表明，噬菌体可通过其单链DNA结合蛋白（SSB）的突变逃逸Eco8介导的防御。此外， pull-down实验显示野生型（而非突变型）噬菌体SSB可与Eco8 msDNA发生共沉淀。

虽然这些数据提示msDNA与SSB蛋白存在直接相互作用，但未能解释OLD核酸酶的具体功能。本研究证实了Eco8对多种噬菌体的防御活性，验证了OLD核酸酶的ATP水解和DNA切割活性，并通过冷冻电镜技术解析了Eco8单独及其与T7噬菌体SSB蛋白复合物的三维结构。结合结构生物学、生物化学和遗传学分析，作者揭示了Eco8介导细菌防御的分子机制。

原文链接：https://www.cell.com/molecular-cell/fulltext/S1097-2765(25)00814-7