2023年2月6日和2月8日

　　北化科研團(tuán)隊(duì)先后在國際學(xué)術(shù)期刊《細(xì)胞》在線發(fā)表研究論文

 

　　01

　　我校馮越教授課題組在《Cell》發(fā)文揭示噬菌體抑制和逃逸細(xì)菌CBASS免疫系統(tǒng)的分子機(jī)制

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

　　2023年2月6日，我校馮越課題組與美國加州大學(xué)舊金山分校Joseph Bondy-Denomy課題組合作在Cell在線發(fā)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(xì)菌CBASS免疫系統(tǒng)的機(jī)制。

　　本文通過生物信息學(xué)分析，共計(jì)篩選出252株不同的含有CBASS系統(tǒng)的P. aeruginosa菌株，使用CRISPR-Cas技術(shù)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(tǒng)的菌株P(guān). aeruginosa BWHPSA011 (Pa011)。該菌株含有cGAS樣酶CdnA，其可產(chǎn)生3’, 3’-cGAMP用以響應(yīng)PaMx41噬菌體感染，從而激活磷脂酶(CapV)效應(yīng)蛋白，發(fā)揮CBASS系統(tǒng)的免疫功能。而PaMx41噬菌體的逃逸突變體可產(chǎn)生一種抗CBASS系統(tǒng)的蛋白Acb2，那么Acb2如何發(fā)揮其抗性功能呢?馮越教授課題組結(jié)合生物化學(xué)、結(jié)構(gòu)生物學(xué)等多種手段，闡明了Acb2抑制CBASS系統(tǒng)的功能機(jī)制。首先，他們發(fā)現(xiàn)Acb2可高效結(jié)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(jié)合3’, 3’-cGAMP的復(fù)合物的結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)顯示Acb2蛋白自身為一個緊湊的六聚體結(jié)構(gòu)，其可結(jié)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(jié)合口袋”中，形成穩(wěn)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(tǒng)的免疫作用(圖1)。后續(xù)通過體外生化實(shí)驗(yàn)，他們又進(jìn)一步證實(shí)了Acb2還可以結(jié)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(tǒng)，顯示出Acb2是一種基于cGAS酶的免疫系統(tǒng)的廣譜抑制蛋白。此外他們還發(fā)現(xiàn)，Acb2的缺失會造成CBASS系統(tǒng)阻斷噬菌體的復(fù)制及溶原誘導(dǎo)，但少數(shù)噬菌體會通過主要的衣殼基因的突變來逃避CBASS系統(tǒng)的免疫作用(圖1)。

　　綜上，本文發(fā)現(xiàn)了內(nèi)源性CBASS系統(tǒng)的抗噬菌體免疫作用，并提出了噬菌體抑制和逃避CBASS系統(tǒng)免疫的有效策略。Acb2蛋白作為廣譜抑制蛋白，其可以通過結(jié)合多種環(huán)狀寡核苷酸來抑制多種類型的CBASS系統(tǒng)。美國加州大學(xué)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(xué)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(xué)生命學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師，國家優(yōu)秀青年基金獲得者(2018)。主要以生物化學(xué)與分子生物學(xué)、結(jié)構(gòu)生物學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)等為手段，對微生物與宿主免疫系統(tǒng)相互作用等領(lǐng)域相關(guān)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能開展研究。共發(fā)表SCI論文44篇，其中通訊作者(含共同)論文22篇，分別發(fā)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(fù)責(zé)人主持國家及省部級項(xiàng)目多項(xiàng)。曾獲得全國青年崗位能手(2020)、北京市優(yōu)秀青年人才(2020)、北京市科學(xué)技術(shù)進(jìn)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(yù)。

　　02

　　北京化工大學(xué)Jens Nielsen與

　　劉子鶴課題組

　　在《Cell》發(fā)表研究論文

　　2023年2月8日，國際頂級學(xué)術(shù)期刊《細(xì)胞》在線發(fā)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(xué)軟物質(zhì)科學(xué)與工程高精尖創(chuàng)新中心客座教授Jens Nielsen教授和生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院的劉子鶴教授為該文共同通訊作者，生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院譚天偉教授參與該研究工作。北京化工大學(xué)秦寧博士為第一作者，北京化工大學(xué)為第一完成單位。中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所夏建業(yè)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(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金委及北京化工大學(xué)中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)的大力資助。

　　糖酵解是細(xì)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(xiàn)趨異進(jìn)化(EMP途徑, ED途徑, PK途徑)而真核生物呈現(xiàn)趨同進(jìn)化(只有EMP途徑)。之前有研究在大腸桿菌中構(gòu)建了非氧化型糖酵解途徑，實(shí)現(xiàn)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(xì)胞又是如何適應(yīng)這種代謝壓力的?研究人員首先阻斷了酵母的EMP途徑，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室自適應(yīng)進(jìn)化實(shí)現(xiàn)了真核模式生物釀酒酵母的糖分解代謝這一代謝基礎(chǔ)的改動和替換，證明了真核生物中心碳代謝網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的可塑性。經(jīng)過全基因組測序等系統(tǒng)生物學(xué)解析以及反向驗(yàn)證后，確定了MTH1，HXK2，OCA5三個突變位點(diǎn)。其中OCA5功能未有報導(dǎo)，研究人員在野生型酵母中敲除了OCA5并發(fā)現(xiàn)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(tǒng)發(fā)育樹等分析，發(fā)現(xiàn)OCA5與其他OCA蛋白家族成員關(guān)系較遠(yuǎn)，但對OCA5和OCA3的蛋白結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較顯示了二者結(jié)構(gòu)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(xì)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(jī)制進(jìn)行調(diào)控?

　　研究人員分別在體外和體內(nèi)驗(yàn)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(jìn)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(fā)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(diào)節(jié)是一個超出crabtree effect的更為基礎(chǔ)和深遠(yuǎn)的影響機(jī)制。通過轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析以及驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)研究人員指出5-InsP7很可能是通過Gcr1和Hap4兩個轉(zhuǎn)錄因子來實(shí)現(xiàn)對呼吸和糖酵解的中心調(diào)控的，而其中Gcr1可以被5-InsP7焦磷酸化已被證實(shí)。Hap4轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)提升極有可能是通過Mig1的亞細(xì)胞定位所影響，且該過程是不依賴于Snf1信號機(jī)制。該結(jié)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(yīng)器，可以對細(xì)胞的代謝通過轉(zhuǎn)錄因子控制中心碳代謝宏觀擾動的方式來實(shí)現(xiàn)能量代謝的調(diào)節(jié)。該結(jié)果加深了研究人員對磷酸肌醇能量代謝機(jī)制的認(rèn)識。呼吸和代謝通量的相互調(diào)節(jié)也是癌癥治療的一個重要研究方向。OCA蛋白家族內(nèi)部差異極大的系統(tǒng)發(fā)育分析結(jié)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(fā)現(xiàn)。該結(jié)果很可能也揭示了一個挖掘癌癥機(jī)制及其治療靶點(diǎn)的潛在方向。

　　除上述對磷酸肌醇重要機(jī)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(xì)胞工廠的重要應(yīng)用意義，對生產(chǎn)以乙酰輔酶A為前體的化學(xué)品具有巨大潛力。研究人員以脂肪酸的生產(chǎn)為例探索混合型糖酵解酵母的潛力并最終實(shí)現(xiàn)了2678 mg/L的產(chǎn)量，這是迄今為止使用釀酒酵母的搖瓶發(fā)酵條件生產(chǎn)脂肪酸的最高產(chǎn)量，以及釀酒酵母生產(chǎn)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(fā)生重塑，避免了在高濃度葡萄糖產(chǎn)生的溢流代謝，將大大簡化其補(bǔ)料控制過程，節(jié)約下游發(fā)酵過程的人力物力投入，具有重要的工業(yè)應(yīng)用價值和商業(yè)競爭力。

　　該研究解釋了焦磷酸肌醇作為能量傳感器調(diào)控平衡糖酵解和呼吸通量的重要機(jī)制，并提供了酵母如何在能量短缺壓力下通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)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(xì)胞工廠底盤的應(yīng)用潛力。后續(xù)相關(guān)工作還在繼續(xù)開展，在酵母細(xì)胞工廠領(lǐng)域有意從事合作研究或博士后研究的科研工作者歡迎聯(lián)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(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師，國家級青年人才。主要研究方向?yàn)楹铣缮飳W(xué)工具開發(fā)、細(xì)胞機(jī)制解析、第三代生物煉制細(xì)胞工廠的開發(fā)等。共發(fā)表SCI論文43篇，其中近5年共發(fā)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(diǎn)研發(fā)計(jì)劃重點(diǎn)專項(xiàng)課題在內(nèi)的國家及省部級科研項(xiàng)目9項(xiàng)。