结构建模揭示了能够操控细菌免疫信号传导的噬菌体蛋白

《SCIENCE》：Structural modeling reveals phage proteins that manipulate bacterial immune signaling

噬菌体通过海绵蛋白结合和酶解途径对抗细菌免疫信号，AI结构预测发现新蛋白家族Sequestin/Lockin和Acb5，揭示病毒普遍采用的空间策略

　　

编辑总结

当细菌被噬菌体病毒感染时，它会利用小型信号分子来激活自身的防御机制。噬菌体则通过捕获并“没收”这些信号分子来逃避防御机制，但它们具体是如何做到这一点的，至今仍大部分未知。Tal等人利用基于人工智能的方法扫描了大量的噬菌体蛋白质，识别出能够隔离或降解免疫信号分子的因素（参见Fedorova和Bondy-Denomy的观点文章）。他们发现的这些蛋白质存在于数千种噬菌体中，包括已经研究了几十年的经典模型噬菌体T4，并解释了噬菌体如何克服细菌的免疫系统。展望未来，这里描述的方法可以应用于发现感染动物和植物的病毒中的类似蛋白质。——Di Jiang

结构化摘要

引言

细菌、植物和动物的许多先天免疫途径都使用核苷酸衍生物作为细胞内的免疫信号分子。噬菌体进化出了“海绵”蛋白作为防御机制，这些蛋白通过结合并隔离免疫信号来抑制细菌的免疫反应，同时还具有能够切割和使信号分子失活的酶。最近偶然发现了一些抗防御“海绵”蛋白和酶蛋白家族，这表明它们在噬菌体中非常普遍。我们的目标是开发一种无偏见的方法，通过计算预测并在实验中验证在庞大的病毒蛋白质序列数据库中先前未知的抗防御酶和海绵蛋白家族。

研究理由

我们认为，尽管病毒蛋白质在序列和结构上存在差异，但针对核苷酸信号的病毒蛋白质可能具有共同的结构和生物物理特性，这些特性源于它们的共同功能。通过比较已知的病毒海绵蛋白的结构，我们发现了几个统一特征：它们体积较小（通常≤100个氨基酸）；形成同源寡聚体；并且具有能够结合带负电荷的核苷酸信号的深而带正电荷的口袋。我们还发现，来自不同家族的海绵蛋白经常被编码为单一的多肽。我们假设这些结构特征可以通过对大量病毒蛋白质进行结构建模来发现病毒中的类似蛋白。

结果

我们构建了一个基于结构的计算流程，该流程在病毒蛋白质数据库中搜索与已知海绵蛋白融合的蛋白质，或者搜索由AlphaFold-Multimer预测的、能够形成具有内部带正电荷口袋的小型未注释蛋白质。通过对来自200万个噬菌体基因组的3200万个蛋白质进行筛选，找到了120多个候选蛋白质，并通过实验验证了它们抑制细菌免疫信号的能力。这一发现揭示了三个先前未被识别的噬菌体编码的抗防御蛋白家族。其中两个家族Sequestin和Lockin是能够隔离Thoeris免疫信号分子1′′–3′糖环腺苷二磷酸–核糖（3′cADPR）和与ADPR结合的组氨酸（His-ADPR）的海绵蛋白。第三个家族Acb5则通过酶促降解其信号分子环鸟苷单磷酸–腺苷单磷酸（3′3′-cGAMP）来抑制基于环状寡核苷酸的抗噬菌体信号系统（CBASS）。结构建模、晶体学分析和生化实验结果证实了计算预测，并解释了这些蛋白质如何中和细菌的免疫信号。在包括T2、T4和T6在内的数千种病毒基因组中发现了这些抗防御蛋白家族的同源物，这表明操纵宿主免疫信号是一种普遍且进化上保守的病毒策略。

结论

我们的工作提出了一种基于结构的发现框架，用于检测能够操纵宿主免疫信号的病毒蛋白质，这一过程不依赖于序列相似性或先前的注释。在数千种噬菌体基因组中识别出先前未描述的病毒海绵蛋白和核苷酸切割酶家族，表明这些抗防御策略在噬菌体世界中非常普遍。未来，这种方法可以用于发现感染任何生物体（包括真核生物）的类似抑制剂。

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基于结构的发现：噬菌体对细菌免疫信号的抑制剂。

利用AlphaFold对功能未知的小型噬菌体蛋白质进行建模，并筛选出含有带正电荷口袋的寡聚体结构。实验验证发现了三个先前未被描述的蛋白质家族：Sequestin和Lockin（抑制Thoeris防御系统的海绵蛋白）以及Acb5（切割CBASS产生的信号的酶）。这项研究建立了一种计算方法，用于在噬菌体基因组中无偏见地发现免疫调节蛋白。cUA代表环尿苷单磷酸–腺苷单磷酸。

摘要

动物、植物和细菌的免疫系统通常依赖于细胞内的核苷酸信号，而病毒可以通过隔离或降解这些信号来阻断它们。我们识别出了多种病毒抗防御蛋白共有的结构和生物物理特性，并利用这些特性开发了一种计算流程，用于预测那些能够操纵细菌免疫信号的噬菌体蛋白质。实验验证发现了三个先前未被描述的蛋白质家族：Sequestin、Lockin和Acb5，它们分别抑制Thoeris系统和基于环状寡核苷酸的抗噬菌体信号系统（CBASS）。Sequestin和Lockin作为核苷酸“海绵”，结合1′–3′糖环腺苷二磷酸–核糖（3′cADPR）和与ADPR结合的组氨酸（His-ADPR），而Acb5则切割环鸟苷单磷酸–腺苷单磷酸（3′3′-cGAMP）及相关分子。结构和突变分析解释了它们的结合和催化机制。在噬菌体基因组中发现了数千个这些蛋白质的同源物，突显了病毒破坏核苷酸基免疫机制的多样性和普遍性。