2023年2月6日和2月8日

　　北化科研團隊先后在國際學術期刊《細胞》在線發表研究論文

 

　　01

　　我校馮越教授課題組在《Cell》發文揭示噬菌體抑制和逃逸細菌CBASS免疫系統的分子機制

　　基于環狀寡核苷酸的抗噬菌體信號系統(cyclic-oligonucleotide-based antiphage signaling system)，簡稱CBASS，是細菌的重要免疫系統。噬菌體感染細菌后將遭遇細菌免疫系統的抵抗，但噬菌體同時也采用多種策略對抗細菌的免疫系統，目前研究最清楚的是噬菌體可編碼多種蛋白質以抑制宿主免疫系統如CRISPR-Cas以及限制性修飾系統，但目前尚不清楚噬菌體是否有抑制或逃避CBASS免疫系統的機制。

　　2023年2月6日，我校馮越課題組與美國加州大學舊金山分校Joseph Bondy-Denomy課題組合作在Cell在線發表了題為Bacteriophages inhibit and evade cGAS-like immune function in bacteria的研究論文，報道了噬菌體抑制和逃逸細菌CBASS免疫系統的機制。

　　本文通過生物信息學分析，共計篩選出252株不同的含有CBASS系統的P. aeruginosa菌株，使用CRISPR-Cas技術將其CBASS基因座敲除，最終篩選出一種具有天然功能性的CBASS免疫系統的菌株P. aeruginosa BWHPSA011 (Pa011)。該菌株含有cGAS樣酶CdnA，其可產生3’, 3’-cGAMP用以響應PaMx41噬菌體感染，從而激活磷脂酶(CapV)效應蛋白，發揮CBASS系統的免疫功能。而PaMx41噬菌體的逃逸突變體可產生一種抗CBASS系統的蛋白Acb2，那么Acb2如何發揮其抗性功能呢?馮越教授課題組結合生物化學、結構生物學等多種手段，闡明了Acb2抑制CBASS系統的功能機制。首先，他們發現Acb2可高效結合3’, 3’-cGAMP分子，但不具有酶活。馮越課題組解析了Acb2蛋白及其結合3’, 3’-cGAMP的復合物的結構，結構顯示Acb2蛋白自身為一個緊湊的六聚體結構，其可結合3個3’, 3’-cGAMP分子，每個3’, 3’-cGAMP分子位于兩個Acb2單體N端形成的“結合口袋”中，形成穩定的相互作用。通過吸附并隔離3’, 3’-cGAMP，Acb2有效地破壞了CBASS系統的免疫作用(圖1)。后續通過體外生化實驗，他們又進一步證實了Acb2還可以結合c-di-AMP/3’, 3’-c-di-UMP/2’, 3’-cGAMP/3’, 3’-cUA/UG等多種寡核苷酸信號分子，覆蓋I型和II型兩種CBASS系統，顯示出Acb2是一種基于cGAS酶的免疫系統的廣譜抑制蛋白。此外他們還發現，Acb2的缺失會造成CBASS系統阻斷噬菌體的復制及溶原誘導，但少數噬菌體會通過主要的衣殼基因的突變來逃避CBASS系統的免疫作用(圖1)。

　　綜上，本文發現了內源性CBASS系統的抗噬菌體免疫作用，并提出了噬菌體抑制和逃避CBASS系統免疫的有效策略。Acb2蛋白作為廣譜抑制蛋白，其可以通過結合多種環狀寡核苷酸來抑制多種類型的CBASS系統。美國加州大學舊金山分校博士研究生Erin Huiting與我校博士研究生曹雪利為本論文的共同第一作者，我校馮越教授與加州大學舊金山分校Joseph Bondy-Denomy教授為本文的共同通訊作者。

　　原文鏈接： https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0092867422015847

　　通訊作者簡介： 馮越，北京化工大學生命學院教授，博士生導師，國家優秀青年基金獲得者(2018)。主要以生物化學與分子生物學、結構生物學、細胞生物學等為手段，對微生物與宿主免疫系統相互作用等領域相關蛋白質的結構與功能開展研究。共發表SCI論文44篇，其中通訊作者(含共同)論文22篇，分別發表在Nature、Cell、Mol. Cell、Nat. Chem. Biol.、PNAS、Nat. Plants、Nat. Commun.、Nucleic Acids Res.、J. Biol. Chem.等國際著名期刊。作為負責人主持國家及省部級項目多項。曾獲得全國青年崗位能手(2020)、北京市優秀青年人才(2020)、北京市科學技術進步獎二等獎(2018)、中國十大新銳科技人物(2018)、北京市科技新星(2019)等榮譽。

　　02

　　北京化工大學Jens Nielsen與

　　劉子鶴課題組

　　在《Cell》發表研究論文

　　2023年2月8日，國際頂級學術期刊《細胞》在線發表了題為“Flux Regulation through Glycolysis and Respiration is Balanced by Inositol Pyrophosphates in Yeast”的研究論文。北京化工大學軟物質科學與工程高精尖創新中心客座教授Jens Nielsen教授和生命科學與技術學院的劉子鶴教授為該文共同通訊作者，生命科學與技術學院譚天偉教授參與該研究工作。北京化工大學秦寧博士為第一作者，北京化工大學為第一完成單位。中國科學院天津工業生物技術研究所夏建業研究員為代謝通量的測定提供了大力支持。本研究工作得到科技部國家重點研發計劃、國家自然科學基金委及北京化工大學中央高校基本科研業務費的大力資助。

　　糖酵解是細胞中最古老且最基本的代謝途徑。在原核生物中，糖酵解途徑呈現趨異進化(EMP途徑, ED途徑, PK途徑)而真核生物呈現趨同進化(只有EMP途徑)。之前有研究在大腸桿菌中構建了非氧化型糖酵解途徑，實現了糖酵解途徑的替換。那么，真核生物中的糖酵解途徑是否也可以替換為其他途徑?如果可行，真核細胞又是如何適應這種代謝壓力的?研究人員首先阻斷了酵母的EMP途徑，并進行了實驗室自適應進化實現了真核模式生物釀酒酵母的糖分解代謝這一代謝基礎的改動和替換，證明了真核生物中心碳代謝網絡結構的可塑性。經過全基因組測序等系統生物學解析以及反向驗證后，確定了MTH1，HXK2，OCA5三個突變位點。其中OCA5功能未有報導，研究人員在野生型酵母中敲除了OCA5并發現糖酵解的通量輕微下降但呼吸鏈的通量顯著提升。研究人員通過系統發育樹等分析，發現OCA5與其他OCA蛋白家族成員關系較遠，但對OCA5和OCA3的蛋白結構進行比較顯示了二者結構和可能的功能類似。OCA3之前被鑒定為肌醇焦磷酸酶，其催化形成的肌醇焦磷酸鹽是影響生物過程的重要細胞信使。那么OCA5是否也是一種肌醇焦磷酸酶呢? 其對生物過程通過何種機制進行調控?

　　研究人員分別在體外和體內驗證了OCA5可以催化5-InsP7到InsP6，即OCA5是一種新的肌醇焦磷酸酶。進一步研究顯示，OCA5和OCA3均可以在丙酮酸脫羧酶缺失菌株中解除葡萄糖引發的呼吸抑制。同時，研究人員在畢赤酵母 (crabtree negative) 中也證明了OCA5的敲除可以提高線粒體總量，提示OCA5的功能并不局限于crabtree positive的釀酒酵母。表明磷酸肌醇分子對呼吸和糖酵解的代謝的調節是一個超出crabtree effect的更為基礎和深遠的影響機制。通過轉錄組學分析以及驗證實驗研究人員指出5-InsP7很可能是通過Gcr1和Hap4兩個轉錄因子來實現對呼吸和糖酵解的中心調控的，而其中Gcr1可以被5-InsP7焦磷酸化已被證實。Hap4轉錄因子的表達提升極有可能是通過Mig1的亞細胞定位所影響，且該過程是不依賴于Snf1信號機制。該結果表明除被廣泛研究的AMPK 信號途徑和mTERC信號途徑以外，InsP6作為ATP的能量感應器，可以對細胞的代謝通過轉錄因子控制中心碳代謝宏觀擾動的方式來實現能量代謝的調節。該結果加深了研究人員對磷酸肌醇能量代謝機制的認識。呼吸和代謝通量的相互調節也是癌癥治療的一個重要研究方向。OCA蛋白家族內部差異極大的系統發育分析結果表明在真核生物中肌醇焦磷酸分布的隱蔽性。目前為止，在高等真核生物中尚未有肌醇焦磷酸酶的發現。該結果很可能也揭示了一個挖掘癌癥機制及其治療靶點的潛在方向。

　　除上述對磷酸肌醇重要機制的拓展與完善外，該論文還證明了混合型糖酵解酵母作為新型底盤細胞工廠的重要應用意義，對生產以乙酰輔酶A為前體的化學品具有巨大潛力。研究人員以脂肪酸的生產為例探索混合型糖酵解酵母的潛力并最終實現了2678 mg/L的產量，這是迄今為止使用釀酒酵母的搖瓶發酵條件生產脂肪酸的最高產量，以及釀酒酵母生產游離脂肪酸所報道的最高底物得率。同時，混合型糖酵解酵母和OCA5突變的引入使得菌株的中心碳代謝發生重塑，避免了在高濃度葡萄糖產生的溢流代謝，將大大簡化其補料控制過程，節約下游發酵過程的人力物力投入，具有重要的工業應用價值和商業競爭力。

　　該研究解釋了焦磷酸肌醇作為能量傳感器調控平衡糖酵解和呼吸通量的重要機制，并提供了酵母如何在能量短缺壓力下通過調節轉錄因子影響代謝可塑性的見解。同時，該研究證明了混合型糖酵解酵母作為新型細胞工廠底盤的應用潛力。后續相關工作還在繼續開展，在酵母細胞工廠領域有意從事合作研究或博士后研究的科研工作者歡迎聯系劉子鶴老師(zihe@mail.buct.edu.cn)。

　　原文鏈接：https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(23)00044-2

　　通訊作者簡介：劉子鶴，北京化工大學生命科學與技術學院教授、博士生導師，國家級青年人才。主要研究方向為合成生物學工具開發、細胞機制解析、第三代生物煉制細胞工廠的開發等。共發表SCI論文43篇，其中近5年共發表一作通訊作者文章22篇，包括Cell, Nature Catalysis, Nature Communications, PNAS等，并主持包括國家重點研發計劃重點專項課題在內的國家及省部級科研項目9項。