一种双组分“基因剪刀”系统可广泛抵御病毒感染

噬菌体（感染细菌的病毒）与细菌宿主之间存在持续的进化军备竞赛，推动了复杂防御机制与反防御机制的进化。其中，CRISPR-Cas、BREX、Gabija等系统在细菌免疫中发挥关键作用，它们通过多种策略检测并中和入侵噬菌体，常涉及降解噬菌体核酸的核酸酶活性。本研究发现并鉴定了大肠杆菌中的KELShedu系统，这是一种双组分抗噬菌体机制，通过流产感染（受感染细菌提前死亡以中断噬菌体生命周期，保护细菌群体的防御机制）保护细菌。与此前报道的单蛋白Shedu系统不同，KELShedu系统由KELA和KELB两种蛋白组成。实验通过噬菌体菌斑测定、细菌生长曲线测量等证实，KELA和KELB均为其抗噬菌体活性所必需——单独表达任一蛋白会显著削弱系统的广谱抗噬菌体能力。进一步研究表明，KELA是一种双链DNA结合蛋白，能非特异性结合双链DNA并稳定KELB的构象；KELB则是一种依赖金属离子的核酸酶，含有DUF4263结构域（属于PD-(D/E)XK磷酸二酯酶超家族），在镁离子或锰离子存在时能降解DNA，但无序列特异性。体内外实验均显示KELA与KELB形成复合物发挥作用。该系统的激活机制与胞内核苷三磷酸（NTP）水平密切相关。正常生理条件下，细胞内的NTP会抑制KELShedu系统的DNA切割活性；当噬菌体入侵时，噬菌体的大量复制和蛋白合成会消耗NTP，导致胞内NTP水平下降，从而解除这种抑制。激活的KELShedu系统会非特异性降解细胞内的DNA（包括细菌基因组DNA和噬菌体DNA），最终诱导流产感染，阻止噬菌体增殖。此外，基于DUF4263结构域的系统发育分析显示，Shedu系统可分为四个主要亚型，从简单的单组分蛋白进化为更复杂的多组分系统，表明其进化多样性。本研究不仅拓展了已知的细菌抗噬菌体机制库，还为微生物工程和合成生物学中保护有价值菌株免受噬菌体侵染奠定了基础。