噬菌体防御新机制：Retron系统通过“自囚禁”与“释放”切换防御状态

Retrons是一种产生多拷贝单链DNA （msDNA）的噬菌体防御系统，有望用于基因组工程。然而，其防御机制尚不清楚。Retron-Septu系统集成了Retron和Septu抗噬菌体防御。

2025年6月12日，马萨诸塞大学医学院傅天民团队（王晨和Anthony Rish为共同第一作者）在Science 在线发表题为“Disassembly activates Retron-Septu for antiphage defense”的研究论文，该研究通过冷冻电子显微镜结构显示不对称核蛋白复合物，包括逆转录酶，msDNA （msdDNA和msrRNA的混合物）和两个PtuAB拷贝。

msdDNA和msrRNA对于组装该复合体至关重要，其中msrRNA采用保守的套索样结构来调节逆转录。值得注意的是，组装的Retron-Septu复合体是无活性的，msdDNA占据了PtuA DNA结合位点。激活发生在解离时，释放PtuAB，其降解单链DNA以限制噬菌体复制。这种“捕获-解离”机制强调了msDNA的动态调控作用，促进了我们对抗噬菌体防御策略的理解。

Retron--Septu系统代表了两种细菌噬菌体防御模块的融合：逆转录酶（由逆转录酶和多拷贝单链DNA或msDNA组成）和Septu腺苷三磷酸酶(ATPase) -HNH核酸酶复合物（PtuAB）。尽管逆转录酶作为有前途的基因组编辑工具正受到关注，但控制它们组装和激活的分子原理仍然知之甚少。

该研究重组了两个大肠杆菌Retron--Septu系统Ec83和Ec78（分别也称为Eco4和Eco7），发现逆转录酶（RT）、msDNA和PtuAB亚复合物形成了一个大的不对称核蛋白复合物。值得注意的是，一些PtuAB亚复合物在溶液中保持解离，表明可能调节活性的动态组装-拆卸平衡。Retron Ec83-Septu和Retron Ec78-Septu复合物的冷冻电子显微镜结构显示msDNA起着核心的结构作用：它结合RT和PtuAB，有效地将这些成分“粘合”在一起形成不对称复合物。

为了测试这种结构的功能后果，进行了体外生化分析。该研究发现完整的Retron-Septu复合体具有催化活性，而解离的PtuAB亚复合体对单链DNA （ssDNA）具有很强的核酸酶活性，但对tRNA、单链RNA （ssRNA）或双链DNA （dsDNA）没有活性。此外，电泳迁移率转移实验表明PtuA与DNA结合，定位PtuB进行有效切割。对解离的PtuAB亚复合物、重组的PtuAB复合物和PtuA二聚体的结构分析证实了伴随活化的构象重排。

Retron-Septu组装和激活机制（图源自Science ）

为了直接测试复合物的解离是否对活化至关重要，该研究设计了二硫化物-交联Retron Ec83-Septu复合物。将该复合体锁定在其完整状态可消除Ec83抗噬菌体防御，证实其解离对功能至关重要。最后，大肠杆菌中T5n噬菌体感染的时间过程成像显示，Retron Ec83-Septu系统限制了噬菌体的复制，将分子激活机制与生理免疫反应联系起来。

总之，该研究揭示了一种解离驱动机制，其中msDNA作为分子胶维持Retron-Septu系统处于自抑制状态。噬菌体诱导的msDNA降解触发复合物解离，释放PtuAB亚复合物裂解ssDNA并限制噬菌体复制。这与基于寡聚化的经典免疫激活范式形成鲜明对比，而是强调了解离作为细菌免疫中以前未知的调节策略。这些发现为理解和设计基因组工程的Retron系统提供了一个概念框架。

参考消息：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adv3344