Nature | 细菌免疫系统中潜在的抗病毒天然化合物库

大家好，今天跟大家分享一篇Nature上的文章，本文的通讯作者是威兹曼科学研究所分子遗传学系的Rotem Sorek教授，他们课题组的主要研究方向是细菌与噬菌体的相互作用以及RNA介导的微生物调控。本工作主要研究了原核生物viperins的抗病毒机制，扩展了天然抗病毒化合物的种类。

viperins是干扰素刺激细胞表达的一种抗病毒蛋白，具有广泛的抗病毒活性，能够催化CTP转化成3'-脱氧-3'4'-双脱氢-CTP（ddhCTP）核糖核苷酸，由于ddhCTP在核糖的3'-碳原子处缺少羟基，当病毒聚合酶将其整合到病毒的RNA新生链中时，发挥链终止剂的作用，抑制病毒的复制。

之前的研究表明一些细菌和古细菌的编码基因与脊椎动物viperins具有显著的序列相似性，于是作者想研究原核生物中人viperins的同源物是否参与噬菌体的防御过程。首先在包含38,000多个细菌和古细菌基因组的数据库中对人viperins同源物进行搜索，得到与人viperins同源的1,724个基因并基于序列相似性将它们分为17个簇。为了区分代谢性毒菌素同源物和可能参与噬菌体防御的同源物，作者利用原核生物中参与抗病毒活性的基因往往会在基因组中相互共定位，形成“防御岛”，来判断哪些基因参与防御过程。结果表明，其中一个簇中，60%的基因位于CRISPR-Cas系统、限制-修饰系统(RM)和其他防御基因的附近，这种与防御系统高度共定位倾向是一个强烈的预测信号，表明该基因在噬菌体抵抗中发挥作用，最终作者得到了250个原核viperins（pVips）。

为了验证筛选得到的pVips可以防御噬菌体，作者选择了部分pVips基因，将其克隆到大肠杆菌，用一系列噬菌体进行感染，检测的pvips中约一半对噬菌体具有显著的防御，并且大多数都可以抵御T7噬菌斑检测。在脊椎动物基因组中，viperin基因通常编码在胞苷激酶基因旁边，在干扰素反应期间二者共同表达，胞苷激酶将CMP磷酸化为CTP，从而产生viperin的活性底物。作者发现在他们筛选到的250个pVips中有47个编码在核苷酸激酶基因旁边，并且在某些情况下激酶与pVip基因融合，一定程度上证明了三磷酸核苷酸是pVip底物的假设。

基于动物viperin催化ddhCTP的产生，作者通过LC-MS检测了表达pVips或人viperin的大肠杆菌裂解液中的小分子物质，对不同pVips表达的细胞裂解液进行分析，发现只有pVip50裂解液中检测到了ddhCTP的衍生物，因此作者对其他分子量进行了分析，发现10种pVips裂解液中有ddhGTP和ddhGMP的明显富集，15种pVips裂解液中有ddhUTP和ddhUMP的信号。之后作者通过纯化的pVip酶进行体外生化分析，确认pVips以CTP、GTP、和UTP为底物实现各种衍生物的转化。这个结果表明，pVips可以产生目前自然界中还没有发现过的新型抗病毒核糖核苷酸，并且发现有11个pVips可以产生多个ddh-核糖核苷酸衍生物。

尽管pVips可以产生ddh-核糖核苷酸，但是它们可以保护具有双链DNA基因组的噬菌体，因此作者猜测pVips的产物不会影响DNA复制而是影响噬菌体依赖性转录，之后通过pVips对可诱导T7 RNA聚合酶编码的GFP蛋白荧光信号的影响和RNA序列测定，验证了pVips可以通过抑制病毒RNA聚合酶的转录来防御噬菌体T7。

简而言之，作者研究了pVips诱导产生的新型修饰核糖核苷酸，能够通过抑制病毒聚合酶依赖性转录来防止T7噬菌体感染，这些新型核苷链终止剂可能为抗病毒药物开发提供更广阔的思路。

本文作者：Cheny 责任编辑：WYK 原文链接： https://www.nature.com/articles/s41586-020-2762-2_reference.pdf 原文引用：10.1038/s41586-020-2762-2