细菌使用多种防御策略来抵御病毒感染，其中一些防御系统已经产生了开创性的技术，如基于CRISPR的基因编辑。科学家预测在微生物世界中还有更多的抗病毒武器有待发现。

2022年8月12日，张锋教授团队在Science发表论文，报道了一种未开发的微生物防御系统Avs（antiviral STAND）。他们发现，细菌和古细菌（统称为原核生物）中的某些蛋白质以惊人的直接方式检测病毒，识别病毒的关键部分（大多数已知的细菌防御系统通过感应病毒DNA或RNA或感染引起的细胞压力来工作），并诱导细菌死亡，以防止噬菌体的传播。

这项研究是首次在原核生物中发现这一机制，并表明，所有生命3大领域的生物体——细菌、古细菌和真核生物（包括植物和动物）都利用保守病毒蛋白的模式识别来抵御病原体。

来源：Science

许多生物体已经进化出专门的免疫模式识别受体，包括普遍存在于植物、动物和真菌中的 STAND 超家族的核苷酸结合寡聚化结构域样受体 (NLR)。NLR在识别病原体相关分子模式时寡聚，激活介导炎症或细胞死亡反应的效应域。尽管NLR在真核生物免疫中的作用已得到充分证实，但原核生物是否使用类似的防御机制尚不清楚。

研究团队之前鉴定了一组细菌和古细菌STAND核苷三磷酸酶（NTPase），命名为Avs，通常在限制性修饰和其他防御系统旁边编码，通过未知机制保护细菌免受有尾噬菌体（tailed phages）的侵害。与真核生物NLR一样，Avs蛋白具有特征性的三方结构域结构，由中心NTPase、扩展的C端传感器和介导炎症或细胞死亡的N端效应器组成。在这项研究中，他们探索了这些Avs蛋白的防御机制。

蓝色显示的细菌STAND NTP酶蛋白传感结构域与金色显示的病毒末端酶（左)或portal蛋白（右）结合，复合物激活粉红色显示的细菌蛋白质效应结构域。（来源：Broad研究所）

利用大肠杆菌中的基因筛选，研究小组对4个Avs家族（Avs1至Avs4）进行了表征，并检测到在感染期间表达的标志性病毒蛋白。特别是，Avs1至Avs3识别末端酶大亚单位，Avs4识别portal。这两种蛋白质共同构成有尾噬菌体的保守DNA包装机制。Avs蛋白与其同源靶标在大肠杆菌中的共表达导致细菌死亡。

知识卡：portal，病毒衣壳的一部分，含有病毒DNA；末端酶是一种分子马达，通过将病毒DNA推入衣壳来帮助组装病毒。

原核生物中NLR样防御蛋白的机制和结构。（来源：Science）

研究团队使用一组来自9个主要家族的24种有尾噬菌体的末端酶和portal来评估Avs靶向识别的特异性。值得注意的是，单个Avs蛋白能够识别多种靶标（末端酶或portal），在某些情况下序列同一性小于5%。

接下来，他们又在体外重建了Avs活性，重点研究了肠道沙门氏菌（SeAvs3）和大肠杆菌（EcAvs4），两者都含有N端PD-DExK核酸酶效应器。在同源靶标存在下，SeAvs3和EcAvs4介导双链DNA的降解，单链DNA和RNA底物未被切割。核酸酶活性需要Mg2+和三磷酸腺苷（ATP）的存在，然而，ATP的水解不是严格要求的。

研究人员还测定了SeAvs3末端酶和EcAvs4 portal复合物的低温电子显微镜结构，发现两者均形成四聚体，其中每个Avs亚单位的C端传感器结构域与单个靶蛋白结合。结合是通过扩展界面上的形状互补性介导的，与折叠识别一致。

总的来说，细菌和古细菌中的NLR样防御蛋白识别标志性病毒蛋白的保守折叠，并组装成四聚体，激活不同的N端效应器。这些蛋白质的机制突出了原核生物和真核生物防御策略之间的相似性。这项工作的结果促进了人们对不同微生物中宿主病毒相互作用的理解，并将病原体特异性蛋白质的模式识别范式扩展到了生命的所有3个领域。

张锋表示：“这项工作展示了模式识别在不同生物体中发生的显著统一性。将遗传学、生物信息学、生物化学和结构生物学方法整合到一项研究中，以了解这一迷人的分子系统，是非常令人兴奋的。”

文章作者之一Jonathan Strecker表示：“人体和植物中的Avs也通过形成多单元复合物来激活细胞中的特定功能。这是这项工作中最激动人心的部分，在生命的各个领域看到这一点是前所未有的。”

参考资料：

1# Linyi Alex Gao et al. Prokaryotic innate immunity through pattern recognition of conserved viral proteins. Science. (2022)

2# Scientists discover new antiviral defense system in bacteria（来源：Broad研究所官网）