核心提示： 11月1日，我校农业微生物资源发掘与利用全国重点实验室、洪山实验室、生命科学技术学院益生菌智造创新团队韩文元教授课题组发表最新研究成果，研究首次发现了一个以特异性核酸识别激活非特异性核酸降解的 pAgo 系统，为基于pAgo系统的生物技术工具开发提供了新机遇。
南湖新闻网讯（通讯员 刘顺航）11月1日，我校农业微生物资源发掘与利用全国重点实验室、洪山实验室、生命科学技术学院益生菌智造创新团队韩文元教授课题组在Nature Communications杂志发表了题为“Catalytically inactive long prokaryotic Argonaute systems employ distinct effectors to confer immunity via abortive infection”的研究论文。文章报道了新型原核生物long-B Argonaute (long-B pAgo) 系统免疫功能的最新研究成果。研究表明long-B pAgo与核酸酶、Sir2家族蛋白或膜蛋白在遗传和功能上关联。其中，long-B pAgo-核酸酶系统在向导RNA的介导下识别靶标DNA，激活其关联核酸酶非特异性切割基因组DNA，杀死被入侵的细胞，通过引发流产感染以抵御外源遗传元件的入侵。该研究首次发现了一个以特异性核酸识别激活非特异性核酸降解的 pAgo 系统，为基于pAgo系统的生物技术工具开发提供了新机遇。
图1 Long-B pAgo与其关联蛋白的系统进化分析
为抵御外源遗传元件的入侵，微生物进化出了多种多样的免疫系统。例如，CRISPR/Cas系统可以通过识别并降解入侵的外源遗传元件的DNA来为宿主提供免疫保护，并在基因编辑、核酸检测等领域广泛应用。Ago蛋白作为一类可以在向导核酸介导下结合或切割靶标核酸的蛋白，近年来也得到了较多关注。真核生物Ago（eAgo）蛋白可以在向导RNA的介导下切割靶标RNA，在体内参与抵御病毒和转座子的入侵、基因表达调控等过程。相较于eAgo，pAgo具有更高的多样性。根据其结构特征和系统进化分析，pAgo可分为long-A、long-B和short pAgo三个亚家族。Long-B pAgo具有完整的Ago蛋白结构域，但其PIWI结构域的核酸酶活性缺失，仅具有向导RNA介导的靶标DNA结合活性，其功能研究尚属空白。
图2 EcAgo在识别靶标DNA后激活bAgaN的核酸酶活性
研究人员对long-B pAgo进行系统进化分析，发现了几种保守的long-B pAgo系统，其基因簇中分别编码核酸酶、Sir2家族蛋白、跨膜蛋白、VirE-N家族蛋白等（图1）。研究人员首先选取了来源于大肠杆菌CAP29菌株的long-B pAgo系统，其基因簇中编码一个long-B pAgo蛋白（EcAgo）以及一个核酸酶（bAgaN），命名为BPAN系统。研究分析了EcAgo和bAgaN的生化性质，发现EcAgo可以在5’P-RNA介导下结合靶标ssDNA；bAgaN是一种非特异性的DNase，且可以切割提取自大肠杆菌的质粒和基因组DNA。为了探究BPAN系统在体内的生理功能，研究人员在大肠杆菌模式菌株中表达BPAN系统，发现BPAN系统能够特异性识别含有CloDF13复制子的外源遗传元件，在向导RNA的指导下识别靶标DNA后激活效应蛋白bAgaN（图2），降解细胞基因组DNA，导致细胞死亡，从而清除群体中被外源遗传元件入侵的细胞，这是一种抗质粒的流产感染免疫响应。其作用模式与一些III型、V型、VI型CRISPR/Cas系统类似，意味着pAgo系统可能与CRISPR/Cas系统存在趋同进化，也表明BPAN系统具有被开发成核酸检测或其他序列特异性技术的潜力。
此外，研究还表征了另外两种较为保守的long-B pAgo系统，其基因簇中编码的关联蛋白分别为Sir2家族蛋白和跨膜蛋白。其中，long-B pAgo及其关联Sir2家族蛋白（BPAS）系统，也可以识别CloDF13复制子，通过降解细胞内的NAD+引发流产感染。Long-B pAgo及其关联膜蛋白（BPAM）系统则通过一种暂时未知的模式激活。
综上所述，本研究证明了long-B pAgo与其关联蛋白共同作用，在识别入侵核酸后激活相关效应物，引发流产感染免疫响应，从而为宿主提供免疫保护。这与之前报道的short pAgo系统，如SiAgo、SPARTA和SPARSA系统类似，表明不具有核酸酶活性的pAgo系统可能广泛的通过这种机制发挥免疫功能。
生命科学技术学院博士研究生宋欣密、雷晟、刘艳楸、硕士研究生刘顺航为文章共同第一作者，韩文元教授为通讯作者。山东大学佘群新教授、中国科学院微生物研究所李明研究员也参与了部分研究工作。本研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、洪山实验室基金等项目的支持。
审核人 韩文元
