(相關(guān)資料圖)
宿主細(xì)胞依賴多種免疫應(yīng)答機(jī)制來對抗病毒感染。其中，針對核酸分子的免疫識別和操作，是極為核心的抗病毒免疫策略，其廣泛存在于從細(xì)菌到哺乳動物等幾乎所有宿主系統(tǒng)中（圖-1）。相較于哺乳動物細(xì)胞稍顯復(fù)雜的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和調(diào)控，細(xì)菌往往更為簡單高效，其編碼的多種抗病毒免疫系統(tǒng)可直接對核酸分子進(jìn)行切割或修飾（圖-1）。這種特點(diǎn)也使得細(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），極大促進(jìn)了整個生命醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展。
圖-1. 針對核酸分子的免疫識別和操作
近期，F(xiàn)eng Zhang和Eugene Koonin團(tuán)隊鑒定出一種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)，其包含兩種核心組分：RdrA（ATPase酶活性）和RdrB（腺苷脫氨酶活性），這兩種酶活性對于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。目前關(guān)于RADAR的研究僅是冰山一角，還有很多核心科學(xué)問題亟待回答。
2023年2月9日，中科院生物物理研究所高璞團(tuán)隊在《Cell》在線發(fā)表題為 "Molecular basis of RADAR anti-phage supramolecular assemblies" 的文章，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，拓展了我們對細(xì)菌-病毒博弈復(fù)雜性的理解，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，其從進(jìn)化上均屬于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)域外還存在多個作用未知的插入?yún)^(qū)域。為更好的理解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)，意外發(fā)現(xiàn)12個RdrB按照特定方式組裝成了一個閉合的籠狀結(jié)構(gòu)（~1.1MDa）。該籠狀結(jié)構(gòu)擁有典型的正六面體排列，這在ADA和CDA超家族中都從未被報道過。這種精巧的組裝，依賴于催化結(jié)構(gòu)域和多個插入?yún)^(qū)域的協(xié)同作用。進(jìn)一步的功能實(shí)驗(yàn)表明，RdrB亞基間的互作對抗病毒功能至關(guān)重要。有趣的是，所有RdrB的催化口袋都朝向籠子的外側(cè)，暗示其隨時準(zhǔn)備識別和催化臨近的底物。
通過結(jié)構(gòu)分析和生化驗(yàn)證，研究人員發(fā)現(xiàn)RdrB并不能有效結(jié)合含Stem-Loop元件的底物RNA。那么，對RADAR功能同樣關(guān)鍵的另一個組分RdrA，是否會協(xié)助RdrB對RNA的修飾呢？研究人員解析了RdrA的結(jié)構(gòu)，意外發(fā)現(xiàn)RdrA同時組裝成單層的7聚體環(huán)（~0.75MDa）和由兩個7聚體環(huán)疊合而成的雙層14聚體環(huán)（~1.5MDa）。每個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)動態(tài)多變的特點(diǎn)，提示這兩個區(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)，成功捕捉到RNA裝載到RdrA環(huán)的動態(tài)底部的構(gòu)象。同時，研究人員還發(fā)現(xiàn)RNA的裝載與ATP的結(jié)合存在聯(lián)動關(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。
基于上述結(jié)果，研究人員基本確定了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，但卻仍不清楚兩者如何實(shí)現(xiàn)酶活偶聯(lián)。接下來，研究人員首先通過生化實(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)。令人驚奇的是，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)行對接，且RdrA環(huán)的底物運(yùn)輸通道恰好與RdrB的活性中心完美對齊，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RdrA 7聚體環(huán)可以通過動態(tài)的方式與RdrB籠對接。完整組裝的RADAR復(fù)合體包含96個蛋白亞基，顆粒直徑40nm，僅蛋白部分的分子量就達(dá)10.1MDa。
除了RNA類底物，研究人員還發(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，也會對細(xì)胞產(chǎn)生毒性并使其生長停滯。因此，RADAR對RNA類底物和小分子類底物的脫氨修飾，可能共同推動了其有效的抗病毒功能。
標(biāo)簽： RADAR
