宿主細(xì)胞依賴多種免疫應(yīng)答機(jī)制來對(duì)抗病毒感染。其中，針對(duì)核酸分子的免疫識(shí)別和操作是核心的抗病毒免疫策略，廣泛存在于從細(xì)菌到哺乳動(dòng)物等幾乎所有宿主系統(tǒng)（圖1）。相較于哺乳動(dòng)物細(xì)胞稍顯復(fù)雜的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和調(diào)控，細(xì)菌往往更為簡(jiǎn)單高效，其編碼的多種抗病毒免疫系統(tǒng)可直接對(duì)核酸分子進(jìn)行切割或修飾（圖1）。這種特點(diǎn)使得細(xì)菌免疫系統(tǒng)被廣泛用于多種生物學(xué)工具的開發(fā)（如R-M和CRISPR-Cas等），促進(jìn)整個(gè)生命醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展。

近期，F(xiàn)eng Zhang和Eugene Koonin團(tuán)隊(duì)鑒定出擁有全新核酸修飾活性的細(xì)菌免疫系統(tǒng)——RADAR（phage restriction by an adenosine deaminase acting on RNA）。RADAR是目前已知唯一可通過催化RNA的A-to-I（adenosine-to-inosine）脫氨來執(zhí)行抗病毒功能的細(xì)菌防御系統(tǒng)，包含兩種核心組分即RdrA（ATPase酶活性）和RdrB（腺苷脫氨酶活性），且這兩種酶活性對(duì)于RADAR執(zhí)行功能都是必須的。病毒感染后，RADAR被激活并廣泛催化宿主及病毒的轉(zhuǎn)錄組RNA脫氨，造成被感染細(xì)胞的死亡，進(jìn)而阻斷病毒傳播。RADAR在抗病毒免疫和RNA修飾方面展現(xiàn)出多種新穎特點(diǎn)，且有潛力被開發(fā)為新型的生物學(xué)工具，因此受到領(lǐng)域內(nèi)的廣泛關(guān)注。當(dāng)前，關(guān)于RADAR的研究?jī)H是冰山一角，還有較多核心科學(xué)問題亟待回答。

2月9日，中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所研究員高璞團(tuán)隊(duì)在《細(xì)胞》（Cell）上，在線發(fā)表了題為Molecular basis of RADAR anti-phage supramolecular assemblies的研究論文。該研究發(fā)現(xiàn)了RADAR不同組分間的互作關(guān)系，揭示了其通過形成新型超分子復(fù)合體來實(shí)現(xiàn)RNA裝載、運(yùn)輸和脫氨修飾的精妙偶聯(lián)機(jī)制，拓展了科學(xué)家對(duì)細(xì)菌-病毒博弈復(fù)雜性的認(rèn)知，并為開發(fā)基于RADAR的多種生物學(xué)工具提供了思路。

此前已知能催化RNA A-to-I脫氨的酶只有ADAR和ADAT兩類，從進(jìn)化上均屬CDA超家族。而RADAR中的脫氨酶組分RdrB，在進(jìn)化上卻屬于差別巨大的ADA超家族。RdrB的大小近3倍于經(jīng)典ADA成員，除催化結(jié)構(gòu)域外還存在多個(gè)作用未知的插入?yún)^(qū)域。為更好地剖析RdrB的功能，研究人員解析了RdrB的高分辨率冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)了12個(gè)RdrB按照特定方式組裝成一個(gè)閉合的籠狀結(jié)構(gòu)（~1.1 MDa）。該籠狀結(jié)構(gòu)擁有典型的正六面體排列，這在ADA和CDA超家族中均未被報(bào)道。這種精巧的組裝依賴于催化結(jié)構(gòu)域和多個(gè)插入?yún)^(qū)域的協(xié)同作用。進(jìn)一步的功能實(shí)驗(yàn)表明，RdrB亞基間的互作對(duì)抗病毒功能至關(guān)重要。所有RdrB的催化口袋都朝向籠子的外側(cè)，暗示其隨時(shí)準(zhǔn)備識(shí)別和催化臨近的底物。

研究通過結(jié)構(gòu)分析和生化驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，RdrB并不能有效結(jié)合含Stem-Loop元件的底物RNA。那么，對(duì)RADAR功能同樣關(guān)鍵的另一個(gè)組分RdrA，是否會(huì)協(xié)助RdrB對(duì)RNA的修飾？科研人員解析了RdrA的結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，RdrA同時(shí)組裝成單層的7聚體環(huán)（~0.75 MDa）和由兩個(gè)7聚體環(huán)疊合而成的雙層14聚體環(huán)（~1.5 MDa）。每個(gè)7聚體環(huán)都呈現(xiàn)為頂部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、而底部結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)多變的特點(diǎn)，提示這兩個(gè)區(qū)域潛在的不同功能。更重要的是，RdrA環(huán)中心形成了一個(gè)獨(dú)特的通道，其直徑和表面電荷均符合底物RNA的特點(diǎn)，提示該通道可能用于底物運(yùn)輸。后續(xù)生化實(shí)驗(yàn)表明，RdrA環(huán)與Stem-Loop RNA存在特異性結(jié)合，且RNA的存在可顯著促進(jìn)RdrA的ATPase酶活性。接下來，研究人員解析了RdrA與Stem-Loop RNA復(fù)合物的結(jié)構(gòu)，捕捉到RNA裝載到RdrA環(huán)的動(dòng)態(tài)底部的構(gòu)象。同時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)RNA的裝載與ATP的結(jié)合存在聯(lián)動(dòng)關(guān)系，提示RdrA可通過控制ATP水解來發(fā)揮其底物的裝載和運(yùn)輸功能。

基于上述工作，科研人員基本確定了RdrA負(fù)責(zé)底物裝載和運(yùn)輸，而RdrB負(fù)責(zé)底物脫氨的功能分工，但不清楚兩者如何實(shí)現(xiàn)酶活偶聯(lián)。研究人員通過生化實(shí)驗(yàn)確定了RdrA和RdrB之間存在直接互作，并進(jìn)一步通過結(jié)構(gòu)解析闡明了兩者互作的分子細(xì)節(jié)。RdrA的7聚體環(huán)通過其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的頂部與RdrB籠進(jìn)行對(duì)接，且RdrA環(huán)的底物運(yùn)輸通道恰好與RdrB的活性中心對(duì)齊，從而實(shí)現(xiàn)了底物裝載、運(yùn)輸和修飾的巧妙偶聯(lián)。結(jié)構(gòu)分析還表明，1-12個(gè)RdrA 7聚體環(huán)可以通過動(dòng)態(tài)的方式與RdrB籠對(duì)接。完整組裝的RADAR復(fù)合體包含96個(gè)蛋白亞基，顆粒直徑40 nm，僅蛋白部分的分子量達(dá)10.1 MDa。

除了RNA類底物，研究還發(fā)現(xiàn)RdrB及RdrA-RdrB復(fù)合物也可以催化多種小分子代謝類底物（ATP/dATP/ADP/dADP/AMP/dAMP/ adenosine）的脫氨反應(yīng)。近期有工作表明，細(xì)胞內(nèi)的小分子類inosine大量聚集，也會(huì)對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生毒性并使其生長(zhǎng)停滯。因此，RADAR對(duì)RNA類底物和小分子類底物的脫氨修飾，可能共同推動(dòng)了其有效的抗病毒功能。

綜上，該研究報(bào)道了RADAR系統(tǒng)復(fù)雜且新穎的超分子復(fù)合體組裝細(xì)節(jié)，發(fā)現(xiàn)了RADAR實(shí)現(xiàn)底物裝載、運(yùn)輸及修飾的多酶偶聯(lián)機(jī)制，并為開發(fā)基于RADAR的base-editing工具、納米顆粒載體和新型抗菌療法等奠定了基礎(chǔ)。

研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、科技部、北京市自然科學(xué)基金、中科院等的支持。冷凍電鏡數(shù)據(jù)收集和樣品分析等工作得到生物物理所成像中心和質(zhì)譜平臺(tái)的幫助。

論文鏈接

圖1.針對(duì)核酸分子的免疫識(shí)別和操作

圖2.RADAR超分子復(fù)合體的組裝和工作機(jī)制