核心提示：细菌和古生菌已经进化出多种防御机制来抵御病毒感染，这些防御机制涉及广泛的策略和酶活性。然而，对于许多防御系统而言，激活机制仍未确定，并且似乎在最近发现的系统的不同库中存在不同的激活模式。
细菌和古生菌已经进化出多种防御机制来抵御病毒感染，这些防御机制涉及广泛的策略和酶活性。然而，对于许多防御系统而言，激活机制仍未确定，并且似乎在最近发现的系统的不同库中存在不同的激活模式。
继2020年张峰团队研究发现了一组原核STAND NTPase，被称为Avs(antiviral STAND)，通常在限制性修饰和其他防御系统旁边编码，保护细菌抵抗有尾噬菌体感染的研究后，近日，又合作在Science上发表题为Prokaryotic innate immunity through pattern recognition of conserved viral proteins的文章。该文章详细的探究了Avs蛋白的抗病毒机制，发现该蛋白可以特异性识别有尾噬菌体末端酶和门蛋白，并降解DNA双链。
Avs系统由两种保守的噬菌体蛋白激活
作者首先研究噬菌体感染如何导致Avs激活，以及这些防御系统是否存在特定的噬菌体编码触发器。发现两个基因仅在Avs蛋白存在时被耗尽，即与SeAvs3共表达时的末端酶大亚基(gp19)和与EcAvs4共表达时的门户蛋白 (gp8)(图D)。这种毒性取决于SeAvs3和EcAvs4的核酸酶活性，而不是由于天然噬菌体基因序列的任何内在特征，因为重新编码的基因序列也会导致细胞死亡(图F)。此外，噬菌体末端酶的酶活性不是SeAvs3介导的毒性所必需的(图F)。
Avs 蛋白可识别多种终止酶和门户蛋白
为了研究Avs激活的特异性，从跨越9个主要噬菌体家族的24个尾噬菌体中克隆了门户蛋白和末端酶大亚基基因，并用15个Avs系统在大肠杆菌中共表达这些基因，这些基因跨越所有4个Avs家族。实验揭示了精确的靶标特异性：Avs1、Avs1和Avs3 仅识别末端酶大亚基，而Avs4仅识别门户蛋白(图B)。尽管 Avs1 与 Avs3 的 C 端 TPR 之间缺乏实质性的序列相似性，但也识别末端酶。这些发现证明了 Avs 家族中目标识别的保守性，并表明门户蛋白和末端酶大亚基是原核生物识别的关键 PAMP。此外，Avs 系统识别来自不同噬菌体的 PAMP，例如，SeAvs3 和 EcAvs2 分别被 24 种中的 20 种和 24 种测试中的 19 种强烈激活。因为来自不同噬菌体家族的门户蛋白和末端酶具有有限的序列相似性(有些情况下<5% identity)，但共享相同的核心折叠，这种广泛的活性范围意味着 Avs 蛋白是由保守的结构特征而不是由特定的肽序列触发的。
Avs1、Avs1和Avs3仅识别末端酶大亚基，而Avs4仅识别门户蛋白
SeAvs3和EcAvs4是噬菌体激活的双链DNA内切酶
SeAvs3和EcAvs4包含预测的N端PD-DExK家族核酸酶结构域(图A)。两种Avs蛋白都含有保守的D-QxK或E-QxK 催化基序(图B)。进一步的研究发现，核酸酶活性对dsDNA具有特异性，而单链DNA和RNA没有被切割。此外，SeAvs3切割线性和环状dsDNA，包括大肠杆菌基因组DNA，表明核酸内切酶活性对噬菌体DNA没有特异性。总之，文章表明SeAvs3和EcAvs4是混杂的DNA内切酶，它们被不同的、高度保守的噬菌体蛋白以ATP依赖性方式激活。
Avs绑定和目标识别的结构基础
通过低温冷冻电镜解析 SeAvs3 末端酶和 EcAvs4 门户复合物的结构。在没有噬菌体蛋白的情况下，SeAvs3 和 EcAvs4 的负染色和低温冷冻电镜成像显示只有较小的单体颗粒，表明将 SeAvs3 和 EcAvs4 组装成四聚体需要噬菌体蛋白结合。其结合是由形状互补的扩展界面介导的，其中每个Avs亚基的C端传感器域结合单个靶蛋白。此外，SeAvs3可以直接识别终止酶活性位点残基及其ATP配体。SeAvs3和EcAvs4的四聚化是由它们的STAND ATP酶结构域介导的，并允许N端核酸酶采用活性二聚体构型。
Avs 蛋白分布广泛，具有多种模块化效应结构域
Avs基因在约4%至5%的已测序原核基因组中被鉴定，并且分布广泛。每个Avs家族都有一个特征蛋白质大小。构建的系统发育树发现这些树不遵循细菌和古细菌的系统发育，表明广泛的水平基因转移，特别是avs2和avs4。此外，检测到Avs蛋白中存在至少18种不同类型的N末端效应结构域。通过将跨膜结构域移植到EcAvs4生成了嵌合 Avs4 蛋白，发现该嵌合体对 T7、PhiV-1和ZL19具有保护作用，同时保留识别来自不同噬菌体的门户蛋白的能力。
噬菌体通过多种抗防御蛋白抑制Avs防御
通过筛选确定了一组122个典型的早期基因，这些基因通常编码小蛋白，典型的抗防御基因。通过将这些基因与SeAvs3、EcAvs4或KpAvs4及其同源触发器共表达，对Avs毒性抑制因子进行了遗传筛选。为了验证这些观察结果，对三种Avs抑制剂(Lidtsur-17、Forsur-7 和 Lidtsur-6)进行测试，并在体外观察到Lidtsur-17和 Forsur-7对SeAvs3核酸酶活性的抑制作用。三种抑制剂在噬菌斑测定中恢复了在含有Avs的大肠杆菌上噬菌体侵染能力，并且这些抑制剂对不同的Avs家族具有活性。此外，这些抑制剂之间缺乏可检测的序列相似性表明其具有不同的作用模式。
