南湖新聞網訊（通訊員 王爽爽）近日，永利yl7703永利、yl7703永利陶攀教授課題組和生命科學技術學院鄒婷婷教授課題組共同在Cell Reports雜志發表研究論文“DNA methylation activates retron Ec86 filaments for antiphage defense”，揭示了大腸杆菌retron防禦系統抵抗噬菌體感染的分子機制。
Retron是近年來新發現的一種細菌防禦系統，由逆轉錄酶、非編碼RNA和效應蛋白三個元件組成，其中的逆轉錄酶以非編碼RNA作為模闆，合成RNA/DNA嵌合分子。因其生成多拷貝單鍊DNA（msDNA）的能力，retron系統近年來在基因組編輯領域逐漸嶄露頭角，例如在細菌和真核細胞中的精準基因編輯、基因組記錄（SCRIBE）、序列突變和進化（Retron Library Recombineering）等應用。然而，Retron系統在抵抗噬菌體感染中的激活和防禦機制目前仍有待揭示。
本研究聚焦大腸杆菌Retron Ec86（Eco1）系統，發現噬菌體編碼的DNA胞嘧啶甲基轉移酶（Dcm）是Ec86系統的激活因子，并且證實Dcm能夠通過甲基化msDNA中的胞嘧啶，激活Retron Ec86系統。冷凍電鏡結構解析發現，Ec86系統的逆轉錄酶、msDNA和效應蛋白共同形成多聚化絲狀結構，該絲狀結構具有NAD+水解活性，通過耗竭細菌中的NAD+，在子代噬菌體完成組裝之前誘導細菌自殺，從而實現抗噬菌體的防禦功能（圖1）。本文研究揭示了Retron Ec86的激活及其抗噬菌體感染的詳細機制，深化了對細菌防禦系統的理解，為Retron系統在基因組編輯中的應用提供了理論指導。
圖1 細菌Retron Ec86系統的激活及其抵抗噬菌體感染的工作模型
永利博士生王嫣婧和王晨博士為該論文的共同第一作者，陶攀教授和鄒婷婷教授為該論文的共同通訊作者，金雙俠教授、孫明教授、李姗教授、張德林副教授、曹劍波老師和劉紅波老師為該研究提供指導和幫助。永利蛋白質平台、電鏡平台和中科大冷凍電鏡平台為該研究的開展提供支持。該研究受到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金和湖北洪山實驗室重點基金的資助。
審核人：陶攀
原文鍊接：https://www.cell.com/cell-reports/fulltext/S2211-1247(24)01208-7
英文摘要：Retrons are a class of multigene antiphage defense systems typically consisting of a retron reverse transcriptase, a non-coding RNA, and a cognate effector. Although triggers for several retron systems have been discovered recently, the complete mechanism by which these systems detect invading phages and mediate defense remains unclear. Here, we focus on the retron Ec86 defense system, elucidating its modes of activation and mechanisms of action. We identified a phage-encoded DNA cytosine methyltransferase (Dcm) as a trigger of the Ec86 system and demonstrated that Ec86 is activated upon multicopy single-stranded DNA (msDNA) methylation. We further elucidated the structure of a tripartite retron Ec86-effector filament assembly that is primed for activation by Dcm and capable of hydrolyzing nicotinamide adenine dinucleotide (NAD). These findings provide insights into the retron Ec86 defense mechanism and underscore an emerging theme of antiphage defense through supramolecular complex assemblies.
