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宿主細胞依賴多種免疫應答機制來對抗病毒感染。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）。相較于哺乳動物細胞稍顯復雜的信號轉導和調控，細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行切割或修飾（圖-1）。這種特點也使得細菌免疫系統(tǒng)被廣泛用于多種生物學工具的開發(fā)（如R-M和CRISPR-Cas等），極大促進了整個生命醫(yī)學領域的發(fā)展。
圖-1. 針對核酸分子的免疫識別和操作
近期，Feng Zhang和Eugene Koonin團隊鑒定出一種擁有全新核酸修飾活性的細菌免疫系統(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錄組RNA脫氨，造成被感染細胞的死亡，進而阻斷病毒傳播。RADAR在抗病毒免疫和RNA修飾方面展現出多種新穎特點，且有潛力被開發(fā)為新型的生物學工具，因此受到領域內的廣泛關注。目前關于RADAR的研究僅是冰山一角，還有很多核心科學問題亟待回答。
2023年2月9日，中科院生物物理研究所高璞團隊在《Cell》在線發(fā)表題為 "Molecular basis of RADAR anti-phage supramolecular assemblies" 的文章，發(fā)現了RADAR不同組分間的互作關系，揭示了其通過形成新型超分子復合體來實現RNA裝載、運輸和脫氨修飾的精妙偶聯機制，拓展了我們對細菌-病毒博弈復雜性的理解，并為開發(fā)基于RADAR的多種生物學工具提供了思路。
此前已知能催化RNA A-to-I脫氨的酶只有ADAR和ADAT兩類，其從進化上均屬于CDA超家族。而RADAR中的脫氨酶組分RdrB，在進化上卻屬于差別巨大的ADA超家族。RdrB的大小近3倍于經典ADA成員，除催化結構域外還存在多個作用未知的插入區(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構，意外發(fā)現12個RdrB按照特定方式組裝成了一個閉合的籠狀結構（~1.1MDa）。該籠狀結構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，依賴于催化結構域和多個插入區(qū)域的協同作用。進一步的功能實驗表明，RdrB亞基間的互作對抗病毒功能至關重要。有趣的是，所有RdrB的催化口袋都朝向籠子的外側，暗示其隨時準備識別和催化臨近的底物。
通過結構分析和生化驗證，研究人員發(fā)現RdrB并不能有效結合含Stem-Loop元件的底物RNA。那么，對RADAR功能同樣關鍵的另一個組分RdrA，是否會協助RdrB對RNA的修飾呢？研究人員解析了RdrA的結構，意外發(fā)現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)都呈現為頂部結構穩(wěn)定、而底部結構動態(tài)多變的特點，提示這兩個區(qū)域潛在的不同功能。更重要的是，RdrA環(huán)中心形成了一個獨特的通道，其直徑和表面電荷均符合底物RNA的特點，提示該通道可能用于底物運輸。后續(xù)生化實驗表明，RdrA環(huán)與Stem-Loop RNA存在特異性結合，且RNA的存在可顯著促進RdrA的ATPase酶活性。接下來，研究人員解析了RdrA與Stem-Loop RNA復合物的結構，成功捕捉到RNA裝載到RdrA環(huán)的動態(tài)底部的構象。同時，研究人員還發(fā)現RNA的裝載與ATP的結合存在聯動關系，提示RdrA可通過控制ATP水解來發(fā)揮其底物的裝載和運輸功能。
基于上述結果，研究人員基本確定了RdrA負責底物裝載和運輸，而RdrB負責底物脫氨的功能分工，但卻仍不清楚兩者如何實現酶活偶聯。接下來，研究人員首先通過生化實驗確定了RdrA和RdrB之間存在直接互作，并進一步通過結構解析闡明了兩者互作的分子細節(jié)。令人驚奇的是，RdrA的7聚體環(huán)通過其結構穩(wěn)定的頂部與RdrB籠進行對接，且RdrA環(huán)的底物運輸通道恰好與RdrB的活性中心完美對齊，從而實現了底物裝載、運輸和修飾的巧妙偶聯。結構分析還表明，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10.1MDa。
除了RNA類底物，研究人員還發(fā)現RdrB及RdrA-RdrB復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。近期有工作表明，細胞內的小分子類inosine大量聚集，也會對細胞產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。
標簽： RADAR
