研究發(fā)現(xiàn)新穎毒素-抗毒素系統(tǒng)具有控制溫和噬菌體激活和防御噬菌體的雙重功能
8月23日，中國科學(xué)院南海海洋研究所熱帶海洋生物資源與生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗室研究員王曉雪團(tuán)隊聯(lián)合哈佛醫(yī)學(xué)院Matthew K. Waldor團(tuán)隊，發(fā)現(xiàn)了溫和噬菌體編碼的新穎的三組分的毒素-抗毒素系統(tǒng)，并解析了這一新系統(tǒng)在溫和噬菌體溶原裂解轉(zhuǎn)化和噬菌體防御方面的雙重功能，相關(guān)研究成果以“Control of lysogeny and antiphage defense by a prophage-encoded kinase-phosphatase module”為題，在線發(fā)表于《自然-通訊》（Nature Communications）。南海海洋所研究員郭云學(xué)、副研究員湯開浩，哈佛醫(yī)學(xué)院Brandon Sit和南海海洋所2022級博士研究生古嘉瑜為該論文共同第一作者，南海海洋所研究員王曉雪和哈佛醫(yī)學(xué)院教授Matthew K. Waldor為該論文的共同通訊作者。合作者還包括哈佛大學(xué)Hongbo R. Luo團(tuán)隊。
在微生物世界中，噬菌體（感染細(xì)菌的病毒）與宿主之間的相互作用一直是生物學(xué)研究的熱點(diǎn)。絲狀噬菌體廣泛存在于自然界中，可以侵染細(xì)菌和古菌宿主。假單胞菌屬的Pf絲狀噬菌體在生物膜形成和毒力中扮演重要角色。然而，關(guān)于Pf原噬菌體在生物膜中激活的機(jī)制仍是一個謎。揭示這些復(fù)雜的生物學(xué)過程對于尋找新的治療策略，發(fā)現(xiàn)和認(rèn)識絲狀噬菌體的生物學(xué)和生態(tài)學(xué)功能具有重要的意義。
在這項研究中，研究人員報道了銅綠假單胞菌中的絲狀溫和噬菌體攜帶的三組分毒素-抗毒素系統(tǒng)KKP（kinase-kinase-phosphatase）的雙重功能。原噬菌體誘導(dǎo)通常通過控制噬菌體阻遏蛋白活性進(jìn)行調(diào)節(jié)，例如宿主因子對阻遏蛋白的特異性切割使其失活來激活噬菌體的裂解途徑。毒素KK的其中一個靶標(biāo)是宿主的擬核結(jié)合蛋白MvaU。KKP通過激酶和磷酸酶活性之間的平衡控制MvaU的磷酸化水平，從而調(diào)控絲狀噬菌體的溶原-裂解轉(zhuǎn)化及噬菌體顆粒的產(chǎn)生。此外，研究發(fā)現(xiàn)抗毒素活性被烈性噬菌體的復(fù)制蛋白抑制，激活毒素KK活性，抑制了烈性噬菌體的繁殖。
KKP的發(fā)現(xiàn)將毒素-抗毒素系統(tǒng)引入了宿主-噬菌體相互作用的模型，作為控制溫和噬菌體裂解的開關(guān)和烈性噬菌體入侵的盾牌，通過可逆翻譯后修飾發(fā)揮功能，位于環(huán)境信號、噬菌體復(fù)制和宿主生理狀態(tài)的交匯中心。 KKP基因簇在超過1000種不同的溫和原噬菌體存在。KKP代表了一種基于磷酸化的溫和噬體激活和防御噬菌體的機(jī)制（圖1），揭示了毒素-抗毒素系統(tǒng)是自然界溫和噬菌體和烈性噬菌體兩大類噬菌體之間博弈的籌碼。
圖1. KKP控制溫和噬菌體的溶原裂解轉(zhuǎn)化和抵抗烈性噬菌體入侵的機(jī)制
本研究工作得到國家自然科學(xué)基金、國家科技部重點(diǎn)研發(fā)計劃、廣東省本土創(chuàng)新團(tuán)隊等項目的資助。
相關(guān)論文信息：Yunxue Guo#, Kaihao Tang#, Brandon Sit#, Jiayu Gu#, Ran Chen, Xinqi Shao, Shituan Lin, Zixian Huang, Zhaolong Nie, Jianzhong Lin, Xiaoxiao Liu, Weiquan Wang, Xinyu Gao, Tianlang Liu, Fei Liu, Hongbo R. Luo, Matthew K. Waldor*, Xiaoxue Wang*. Control of lysogeny and antiphage defense by a prophage-encoded kinase-phosphatase module.?2024, 15(1):7244.?doi: 10.1038/s41467-024-51617-x.
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