《Engineering Microbiology》：Modulation of Hachiman defence by a type II toxin-antitoxin system via balancing trade-off between the fitness cost and antiphage activity
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Hachiman系统通过HamA/HamB异源二聚体广谱切割DNA介导抗噬菌体免疫，而PezAT系统通过抑制Hachiman表达平衡生存成本与抗噬效率。
Xuhui Tian | Ruyi Zheng | Xin Li | Suping Jiang | Fang Wang | Yulong Shen | Qunxin She
CRISPR与古菌生物学研究中心，微生物技术国家重点实验室及微生物技术研究所，山东大学，滨海路72号，青岛266237，中国
摘要
Hachiman系统为原核生物提供了内在的抗噬菌体免疫力。该系统编码一种HamA核酸酶和一种HamB解旋酶，这两种蛋白在序列上具有高度多样性。然而，对HamA和HamB蛋白的系统发育分析显示，两者具有相似的系统发育树结构，可分为三大类型。进一步研究其中一个亚群时发现，大多数Hachiman系统属于一个独立的亚家族；但链球菌属中的Hachiman系统与PezAT（一种肺炎链球菌的epsilon zeta毒素-抗毒素系统）结合，形成了Pez-Ham系统。对S. thermophilus的Pez-Ham系统的研究表明，仅Hachiman系统就足以介导抗噬菌体防御。对编码蛋白（HamA或HamB单独存在或形成蛋白复合物）的生化特性分析表明，HamA核酸酶单独存在时无活性，但与HamB形成异源二聚体后，该蛋白复合物能够以广泛的特异性（5’-CNNNG-3’）切割各种形式的DNA，并且HamB中的ATP结合以及ATP水解在一定程度上促进了其核酸酶活性。遗传学研究还发现，尽管Pez系统在大肠杆菌中不能发挥抗噬菌体作用，但它能抑制Hachiman系统的表达，从而平衡了适应性成本与抗噬菌体防御效果之间的权衡。
引言
噬菌体是感染原核生物的病毒，在大多数环境中，噬菌体的数量大约是宿主细胞的10倍[[1], [2], [3]]。为了抵御噬菌体入侵，细菌进化出了多种抗噬菌体防御系统，包括能够以RNA引导方式消除核酸入侵者的适应性免疫系统CRISPR-Cas[[4], [5], [6], [7], [8]]，以及针对入侵者特定序列进行降解的限制-修饰（R-M）系统[[9]]，还有许多能够诱导受感染细胞发生流产性感染的先天防御系统，从而保护未受感染的细胞[[10], [11], [12]]。这些抗病毒系统常常在宿主基因组中聚集形成“防御岛”[[13], [14], [16]]，这种基因关联已被用于预测新的微生物免疫系统并进行实验验证[[17,18]]。迄今为止，至少已发现了145种新的先天防御系统[[19]]。
在这些新的抗噬菌体系统中，被归类为Hachiman的系统存在于3.4%的原核生物基因组中[[17]]，它们携带两个编码防御系统核心组分的基因：HamA（含有DUF1837结构域）和HamB（SF2家族解旋酶）[[17]]。目前只有少数Hachiman系统得到了详细研究，其中包括：(a)仅包含上述两个结构域的最简形式，如ECOR31 Hachiman复合物[[20]]；(b) 大肠杆菌的抗噬菌体abpAB系统，其中AbpA（或HamA）携带两个必需的核酸酶结构域DUF1837和Cap4[[21,22]]；(c> Sphingopyxis witflariensis DSM14551的Hachiman系统，其基因操纵子包含三个基因（hamC-hamA-hamB)[[19]]。我们对Hachiman系统的分析发现，在某些细菌中，除了这两个核心基因外，还存在其他相关基因。有趣的是，这些相关基因编码的蛋白质与肺炎链球菌的epsilon zeta毒素-抗毒素系统（PezAT）中的毒素和抗毒素蛋白高度相似：PezT是一种能够干扰细菌细胞壁合成的稳定毒素，而PezA通过其抗毒素活性减弱毒性，这种抗毒素与PezT形成蛋白复合物并作为转录抑制剂来抑制毒素和抗毒素系统的表达[[23,24]]。自发现以来，毒素-抗毒素系统主要与质粒的稳定遗传和生物膜形成相关[[25,26]]。最近的研究表明，毒素-抗毒素系统还能介导抗噬菌体防御[[27,28]]，并有助于其他噬菌体防御系统（如CRISPR-Cas）的稳定性[[29]]。然而，hamAB和pezAT基因在细菌基因组中的共定位表明，这两种系统可能通过不同的机制协同发挥抗噬菌体防御作用。
Streptococcus thermophilus携带一种融合的TA-Hachiman系统，称为Pez-Ham系统。我们发现Hachiman系统编码一种具有广泛特异性的HamAB解旋酶-核酸酶。进一步研究大肠杆菌中的Pez-Ham系统发现，PezAT系统调控Pez-Ham操纵子的表达，而Hachiman系统负责介导抗噬菌体防御，抗噬菌体防御的效果取决于细菌细胞中Hachiman系统的表达水平。
部分内容片段
细菌和噬菌体菌株及培养条件
本研究使用的所有细菌和噬菌体菌株列于表S1中。噬菌体繁殖使用大肠杆菌 BL21(DE3)作为宿主菌株。将大肠杆菌接种到LB培养基（10 g/L蛋白胨、5 g/L酵母提取物、10 g/L NaCl）中，并在37°C下培养过夜。随后将培养物以1:100的比例稀释到新鲜的LB培养基中，继续培养至OD???约为1。然后加入20 μL噬菌体悬液，继续培养5-6小时或直至细胞裂解。
S. thermophilus编码一种独特的Hachiman系统
所有已鉴定的Hachiman系统都具有HamA中的DUF1837结构域和HamB中的SF2家族解旋酶结构域。为了了解Hachiman系统的多样性，我们从已鉴定的Hachiman系统中提取了代表性的HamA和HamB蛋白[[17,19,20,22]]，并用于构建系统发育树。我们发现HamA和HamB蛋白形成的系统发育树非常相似，表明它们的编码基因在Hachiman系统中共同进化（图1a）。
讨论
细菌和古菌携带多种防御系统，这些系统常常在基因组中聚集形成“防御岛”，这表明它们可能在抗病毒防御中相互协作。尽管这些免疫系统在细菌基因组中具有高度动态性（因为它们在进化过程中会频繁出现获得或丢失），但这些系统存在于泛基因组中，即微生物能够水平获取和利用的所有免疫系统的总和。
数据可用性声明
本研究生成或分析的所有数据均包含在发表的文章及其补充信息文件中，或可根据要求提供。
CRediT作者贡献声明
Xuhui Tian：撰写初稿、数据整理、概念构建。Ruyi Zheng：数据整理。Xin Li：数据整理。Suping Jiang：数据整理。Fang Wang：撰写、审稿与编辑、监督。Yulong Shen：撰写、审稿与编辑。Qunxin She：撰写、审稿与编辑、监督、项目管理。
