编辑｜梁笑濛（副研究员）

审核｜李国民

2026年3月25日，应首都医学科学创新中心特聘研究员、肿瘤研究所所长李国民教授的邀请，纽约纪念斯隆-凯特琳癌症中心（Memory Sloan Kettering Cancer Center, MSKCC）的Dinshaw J. Patel教授来访并带来一场题为“Antiphage defense by CARF-effector and protective deity systems”的学术报告。

Dinshaw J. Patel教授现任MSKCC结构生物学教授，美国国家科学院院士、美国艺术与科学院院士，长期致力于核酸与蛋白复合物结构生物学研究。其团队运用X射线晶体学和冷冻电镜技术，系统解析了RNA干扰、DNA修复以及原核生物抗噬菌体防御系统（包括Lamassu、PUA-Cal-HAD、CRISPR-Cas等）的分子机制。

Type III CRISPR-Cas surveillance complex是原核生物（细菌和古菌）免疫系统中的关键效应复合物，其功能机制较I型与II型（如Cas9）系统更为复杂。后者主要通过切割DNA发挥功能，而Type III系统具备双重靶向能力：一方面直接切割病毒RNA与DNA，另一方面在识别入侵RNA后合成信号分子，激活下游辅助蛋白，引发协同性免疫应答。具体而言，当复合物通过crRNA识别入侵RNA转录本时，其内部的Cas7亚基（Csm3）切割目标RNA，同时Cas10亚基（Csm1）激活DNA切割活性，降解单链DNA。被激活的Cas10进一步以ATP为底物合成环状寡腺苷酸（cOA）作为第二信使，该信号分子随后激活具备CARF结构域的辅助核酸酶（如Csm6），后者无差别降解细胞内RNA与DNA，最终通过诱导流产感染阻止病毒扩散^[1]。

Cat1（cA4-TIR-CARF）是III型CRISPR-Cas系统中新鉴定的CARF效应蛋白，通过消耗宿主细胞内的核心代谢物NAD⁺来诱导生长停滞，从而阻止噬菌体增殖。Dinshaw J. Patel教授团队在体外通过孵育cA₄分子（10s，冰上）成功诱导Cat1丝状结构（filament）形成。TIR-CARF复合物在形成cA₄复合物时组装成丝状结构。该丝状结构的基本二聚体单元中，CARF结构域朝向内侧，而TIR结构域朝向外侧。在丝状结构中，TIR-CARF二聚体单元相互堆叠，cA₄分子被夹在CARF二聚体之间。该丝状结构进一步形成高阶的三聚体和五聚体排列。NAD⁺被定位在丝状结构中堆叠的TIR单体之间；当丝状结构的形成被破坏时，NAD⁺的切割过程也随之被阻断。CARF结构域作为cA₄的传感器，cA₄的结合诱导构象变化，从而触发TIR结构域的激活；活化的TIR结构域消耗NAD⁺，这种辅酶的耗竭导致流产感染。

丝状化（filamentation）是细菌抗噬菌体防御中一种广泛存在的激活机制。Pycsar（Pyrimidine cyclase system for antiphage resistance）系统的研究显示，3',5'-cGMP 可作为抗噬菌体免疫的第二信使，拓展了已知的细菌免疫信号分子谱系。此前，III型CRISPR系统利用环状寡腺苷酸（如 cA₄、cA₆）传递感染信号，而cGMP的加入表明细菌可利用多种环状核苷酸启动防御。该系统的核心是传感器蛋白PucTIR。在静息状态下，它组装成四聚体，处于自抑制状态，确保效应器“绝对安全”。一旦感染发生，嘧啶代谢异常触发环化酶产生cGMP，cGMP结合会打破四聚体平衡，释放出PucTIR二聚体，进一步的cGMP结合，使复合物首尾相连，形成反向平行丝状体。当丝状体形成后，相邻亚基间的界面才能共同构成完整的活性口袋，激活TIR结构域。最终，NAD⁺被大量消耗，细胞代谢崩溃，触发流产感染。

Dinshaw J. Patel教授介绍了其实验室近年发现的三种抗噬菌体系统：Pucsar、Lamassu和PUA-Cal-HAD。其中，Pucsar（Purine cyclase system for antiphage resistance）的相关数据尚未发表，因此在此不作介绍。

1. Lamassu（3-component system containing an SMC sensor）：含SMC传感器的三组分系统——从DNA修复到免疫防御的功能跃迁

Lamassu系统通过利用DNA修复相关的SMC蛋白框架，演化出基于dsDNA末端识别的抗噬菌体防御机制。静息状态下，效应蛋白LmuA以无活性单体形式被传感器亚基LmuB和LmuC包裹，形成LmuA·B₂C三元复合物。噬菌体感染产生的游离dsDNA末端被LmuB/C识别后，触发复合物内部ATP水解，导致复合物解体并释放单体LmuA。脱离束缚的LmuA发生构象重排并组装为四聚体，在四聚化界面处形成完整的dsDNA切割催化口袋，最终通过降解DNA引发流产感染。该过程遵循“单体隔离 → 信号释放 → 四聚化成酶”的构象控制逻辑。

2. PUA-Cal-HAD（Epigenetic nucleotide triggers filament formation）：表观遗传触发器-从预装复合物到免疫丝状体

PUA-Cal-HAD系统代表了抗噬菌体触发机制的一个全新范式。该系统由三个特征性结构域组成：PUA（假尿苷合酶样结构域，常结合RNA或核苷酸）、Cal（钙结合蛋白样结构域）和HAD（卤代酸脱卤酶样结构域，通常具有磷酸酶或核苷酸酶活性）。PUA-Cal-HAD首次揭示了基于宿主表观遗传甲基化图谱的抗噬菌体感应机制，其利用细菌Dam甲基化酶维持的DNA甲基化图谱（如 m⁶A）作为免疫监控基础。噬菌体感染时，为掠夺核苷酸原料而降解宿主染色体，释放出带有甲基化修饰的游离mt-dAMP（甲基化脱氧腺苷一磷酸），该分子作为“危险信号”被系统识别。PUA-Cal-HAD在静息时已预组装为六聚体复合物，处于“待发”状态。mt-dAMP作为配体结合后，通过配体门控机制引发构象重排，促使多个六聚体首尾相连形成多聚丝状体，将瞬时化学信号转化为持久的结构激活状态。形成巨型丝状体后，复合物可能通过暴露大量HAD结构域的催化口袋消耗细胞内dNTP池，阻断噬菌体基因组复制，引发流产感染。作为反制，部分噬菌体演化出编码DNA模拟蛋白的能力，通过物理性阻断丝状体组装界面来破坏该防御系统，体现了“抗聚合”策略在细菌-噬菌体军备竞赛中的微观博弈。

这三个系统共同诠释了细菌免疫系统的进化智慧。在触发信号的多样性上，Pucsar监控代谢失衡（嘌呤水平），Lamassu监控细胞器损伤（DNA结构破坏），PUA-Cal-HAD监控化学副产物（表观遗传核苷酸mt-dAMP的释放）。在结构激活的共性上，三者均依赖构象变化介导的寡聚化或丝状化，通过从“点状蛋白”到“线状/网状聚合物”的转变，实现酶活性的放大并引发不可逆的细胞死亡。在终极目标上，三者均通过敏锐的特异性检测，在噬菌体复制的早期阶段按下“自毁按钮”（耗竭NAD⁺、dNTP、ATP等），以局部牺牲换取全局生存的群体免疫。

[1] Jia N, Jones R, Yang G, Ouerfelli O, Patel DJ. Mol Cell. 2019.

[2] Baca CF, Majumder P, Hickling JH, Patel DJ, Marraffini LA. Science. 2025.

[3] Haudiquet M, Chakravarti A, Zhang Z, Patel DJ. PNAS. 2025.

[4] Zhang Z, Wu Y, Lee YJ, Patel DJ, Nobrega FL. bioRxiv [Preprint]. 2026.