贾宁课题组揭示新型SPARTA免疫系统抵御外源质粒入侵的分子机制

近日，南方科技大学医学院生物化学系副教授贾宁课题组在Nature Chemical Biology在线发表了题为“Target ssDNA activates the NADase activity of prokaryotic SPARTA immune system”的研究论文。该研究揭示了细菌利用新型SPARTA免疫系统抵御外源质粒入侵的分子机制，为开发基于SPARTA的生物技术工具奠定了坚实的理论基础。微信图片_20231211113456.jpg

贾宁课题组一直聚焦于原核生物（细菌和古菌）免疫防御系统抵御噬菌体和质粒入侵的分子机制研究，近几年来揭示了原核生物多种免疫防御系统抵御噬菌体和质粒入侵的分子机制（Molecular Cell, 2023, 2019a, 2019b, 2019c; Nature Communications, 2022; Science, 2020; Cell Research, 2022, 2020; Nature Reviews Molecular Cell Biology, 2021）。Argonaute（Ago）蛋白广泛存在于从细菌到人类的各个物种中，并且参与真核生物RNA干扰这一重要的生理过程。近期有研究报道称，原核生物中存在一类新型短Ago (pAgo) 蛋白，它们通常与一些NADase结构域耦联，在细菌抵御噬菌体和质粒的免疫系统中发挥了重要的作用，但是其发挥作用的分子机制尚不清楚。

SPARTA（Short Prokaryotic Ago/TIR-APAZ）系统就是这样一类新型原核生物pAgo系统，它与白细胞介素-1受体（Toll/Interleukin-1 Receptor，TIR）结构域耦联并通过TIR结构域消耗细胞中重要的二核苷酸小分子NAD(P)+发挥免疫作用。为了探究细菌利用该免疫系统抵御质粒入侵的作用机制，该研究组首先通过生化实验证实了组成SPARTA系统的TIR-APAZ和pAgo两种蛋白，能够形成稳定的异源二聚体SPARTA复合物。该复合物在向导链gRNA的引导下识别入侵的外源靶标单链ssDNA，随后形成具有NAD(P)+降解活性的四聚体。通过冷冻电镜单颗粒方法，该课题组解析了非活性的SPARTA、SPARTAgRNA、和SPARTAgRNA-ssDNA单体结构以及活性状态的SPARTAgRNA-ssDNA四聚体结构，揭示了SPARTA系统的组装、核酸识别以及NADase激活的分子机制。

同时，研究人员通过结构分析和进一步生化实验发现，SPARTAgRNA-ssDNA四聚体呈现出一种“X”型的整体构象，四个TIR结构域位于结构中央，而核酸双链与其它的结构域位于结构外围，与单体状态下的SPARTAgRNA-ssDNA复合物相比，SPARTAgRNA-ssDNA四聚体中，有两个SPARTA的TIR结构域发生了180°的翻转，这一构象变化使得4个TIR结构域形成了两列头对尾的平行排列形式，形成了底物NAD(P)+的催化位点，从而激活了其NADase活性（图1）。


图1. SPARTA系统复合物组装以及核酸结合诱导的多聚

此外，研究人员还进一步发现，SPARTA系统在其羧基端具有一段非常保守的α螺旋（C-tail），这一酸性α螺旋定位于SPARTA系统结合核酸双链的碱性通道内，在SPARTA系统中发挥了自抑制的作用。通过对SPARTAgRNA二元复合物的结构进行分析发现，C-tail在SPARTA系统结合了向导RNA链时会发生部分构象变化，并在进一步结合了靶标DNA链后被完全排斥出核酸通道，从而完成了其自抑制的作用。

综上，研究人员提出了SPARTA系统复合物组装、核酸识别、多聚激活等过程的模型（图2），详细阐述了SPARTA系统在抵御质粒入侵过程中发挥作用的分子机制。这些发现加深了我们对原核生物SPARTA防御系统的理解，并为开发基于SPARTA的生物技术工具奠定了分子基础。


图2. SPARTA系统通过核酸结合诱导多聚并发挥免疫功能的分子机制

南方科技大学医学院博士后张峻涛和硕士研究生魏新洋为本论文的第一作者，贾宁为本论文通讯作者。南方科技大学为论文第一单位。该研究得到了国家自然科学基金、广东省和深圳市面上自然基金、深圳市孔雀计划、广东省重点实验室等项目的大力支持。南方科技大学冷冻电镜中心为该研究相关的冷冻电镜数据收集和处理工作提供了大力支持。



论文链接：https://www.nature.com/articles/s41589-023-01479-z