Nature：外源核酸誘導的原核生物短Ago蛋白系統發揮功能的分子機理

　　RNA介導的轉錄后基因調控在生命個體抵御外源入侵的過程中起到重要作用。Argonaute（Ago）蛋白是存在于古菌、細菌和真核生物中的一種蛋白。它為非編碼小RNA提供錨位點，達到降解靶基因或者抑制翻譯的目的。對比真核生物的Ago，原核生物的Ago展現出多樣性，分為三個家族——長A型、長B型和短Ago亞型。原核長A和長B型Ago包括四個結構域，即N端結構域、PAZ結構域、MID結構域和PIWI結構域。這四個結構域在Ago蛋白系統發揮功能的過程中發揮重要的功能，缺一不可。原核短Ago不具備N端和PAZ結構域（圖1a），因此原核短Ago在發揮功能時必須招募一些其他蛋白如SIR2和TIR蛋白，補償N端和PAZ結構域的功能。

　　與真核生物相比，原核生物的Ago不僅可以介導由DNA引導的靶向DNA干擾，而且可以介導由RNA引導的靶向RNA或者DNA干擾。因此，原核生物的Ago展示出更多的功能，如靶向干擾噬菌體入侵和外源質粒DNA擴增、阻礙外源基因組的復制和增強基因的同源重組等。NAD+（煙酰胺腺嘌呤二核苷酸）是細胞生命活動周期中的重要代謝產物，NAD+的耗盡會直接導致真核或者原核生命個體的死亡。原核短Ago作為原核細菌的免疫系統關鍵蛋白，在識別入侵核酸后會激活NAD+酶的活性，耗盡個體的NAD+，誘導細胞的死亡，從而阻礙外源入侵基因組的復制和擴增，而這背后的結構機理仍然未知。

　　10月2日，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心丁瑋團隊和朱洪濤團隊，與中國醫學科學院和北京協和醫學院病原生物研究所崔勝團隊合作，在《自然》（Nature）上，發表了題為Nucleic Acid-triggered NADase activation of a short prokaryotic Argonaute的研究論文。該研究通過高分辨冷凍電鏡技術與自主研發的自動化結構解析策略，在數百萬計的冷凍電鏡蛋白質顆粒中，高效地篩選并重構了與五個與原核短Ago系統相關的高分辨率三維結構——自抑制的功能單元單體、載有引導RNA/靶向DNA的功能單元單體、兩個不同構象的功能單元的二聚體和功能單元的四聚體（圖1b-c）。

　　研究以此結構為基礎結合體外功能實驗發現，在存在外源DNA的情況下，原核短Ago系統功能單元單體會從入侵基因的轉錄組中獲得引導RNA片段。該引導RNA片段會與原核短Ago系統結合，并進一步通過堿基配對識別與引導RNA序列互補的目標DNA（圖1b-c）。在此過程中，引導RNA可能從它在MID結構域中的結合位點上解離，以便引導RNA與靶向DNA的雜交雙鏈的形成。雜交雙鏈的形成會導致原核短Ago系統的構象發生變化，并通過MID結構域形成二聚體（圖1c）。而在形成二聚體的過程中，一個功能單元的TIR結構域會發生翻轉，且與另一個功能單元的TIR相互作用，使得兩個TIR結構域以頭尾相接的形式組織在一起，并在作用界面上形成一個完整的NADase活性位點（圖1d）。兩個二聚體會進一步通過它們的TIR結構域形成一個四聚體（圖1e）。四聚體形式的組裝體會發揮NADase的作用，耗盡細胞內的NAD+，導致細胞本身的死亡，阻礙了外源基因的擴增。

　　該研究為剖析原核短Ago系統如何發揮功能奠定了重要的結構基礎，并揭示了原核短Ago中NADase的激活機制以及導致細菌死亡的分子機理（圖2）。

　　研究工作得到國家自然科學基金和中國科學院的支持。

圖1.原核短Ago的三維高分辨結構

圖2.原核短Ago中輔酶Ⅰ的激活機制以及導致細菌死亡的分子機理