在肉眼看不見的微觀戰(zhàn)場上，細(xì)菌與侵襲它們的病毒（噬菌體）之間正進(jìn)行著一場永無休止的“軍備競賽”。為 抵御噬菌體 的 種族屠 殺，細(xì)菌 演化出極其復(fù)雜的防御網(wǎng)絡(luò)， 除了 廣為人知 的CRISPR-Cas 系統(tǒng) 外，還有一類被稱為流產(chǎn)感染（Abortive infection,Abi）的極端防御策略。這是一種為了群體利益而犧牲個體的機(jī)制：當(dāng)細(xì)菌被 噬菌體 感染后，會啟動程序?qū)е伦陨硭劳龌蛲Ｖ股L，從而 與 病毒 同歸于盡 ，防止其復(fù)制并擴(kuò)散給周圍的同伴。據(jù)統(tǒng)計(jì) ， 超過70%的原核生物都裝備了這 類 防御 武器 。在眾多的Abi 機(jī)制 中，一 種 名為Lamassu（ 拉瑪蘇 ，巴比倫神話中人首牛身的守護(hù)神 ） 的抗噬菌體系統(tǒng)于2018年首次 被 科學(xué)家 鑒定 。 該 系統(tǒng)主要由負(fù)責(zé)“ 行刑 ”的 效應(yīng)蛋白 （LmuA）和負(fù)責(zé)“偵察”的DNA傳感器（LmuB）組成，部分進(jìn)化的變體（II型）還包含一個功能 未知 的短基因（LmuC）。Lamassu系統(tǒng)展現(xiàn)出了驚人的多樣性，能夠通過識別入侵者的特定DNA序列（如回文序列）來激活防御。然而，盡管科學(xué)家們已經(jīng)對Lamassu系統(tǒng)的單個組件進(jìn)行了功能 預(yù)測， 如發(fā)現(xiàn)LmuB屬于維持染色體結(jié)構(gòu)的SMC家族，而LmuA 則具有多種結(jié)構(gòu)域形式，包括核酸酶，蛋白酶，磷酸酯酶等。 但這臺精密的微觀機(jī)器究竟是如何組裝和運(yùn)作的，依然是一個巨大的謎團(tuán)。 該 系統(tǒng)的整體架構(gòu)是什么？各個部件是以怎樣的比例結(jié)合？它是如何精準(zhǔn)感知噬菌體DNA并扣動“自殺”扳機(jī)的？尤其是I型和II型變體在進(jìn)化過程中產(chǎn)生了怎樣的結(jié)構(gòu)與功能差異？解析這一防御系統(tǒng)的精細(xì)作用機(jī)理，將是我們理解細(xì)菌免疫智慧的關(guān)鍵一環(huán) 。

2026年1月2日，北京化工大學(xué)馮越/張怡團(tuán)隊(duì)與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)生醫(yī)部張凱銘團(tuán)隊(duì)合作在Nature Chemical Biology上發(fā)表題為Structural insights into type-I and type-IILamassu antiphage systems的研究論文，報(bào)道了I型和II型Lamassu系統(tǒng)多種狀態(tài)下的冷凍電鏡高分辨率三維結(jié)構(gòu)，結(jié)合體外生化和噬菌體防御實(shí)驗(yàn)揭示了其獨(dú)特的組裝方式，并闡明了這一“細(xì)胞自殺”開關(guān)是如何被精準(zhǔn)控制的（圖1）。

聯(lián)合團(tuán)隊(duì)首先發(fā)現(xiàn)Lamassu系統(tǒng)的核心是一個由SMC家族蛋白LmuB組成的二聚體支架，構(gòu)成一把巨大的“鉗子”。在II型系統(tǒng)中，這把鉗子還包含一個獨(dú)特的LmuC組分，位于復(fù)合物的中心。在沒有病毒入侵的“和平時(shí)期”（靜息態(tài)），負(fù)責(zé)執(zhí)行殺傷任務(wù)的核酸酶LmuA以單體的形式被緊緊“鎖”在LmuB的螺旋結(jié)構(gòu)域上。 該 構(gòu)象將LmuA隔離并保持在非活性狀態(tài)，相當(dāng)于給武器上了“保險(xiǎn)栓”，防止其誤傷細(xì)菌自身的DNA 。緊接著聯(lián)合團(tuán)隊(duì)解析了兩型La massu 系統(tǒng)與DNA底物的復(fù)合物結(jié)構(gòu)，結(jié)合體外DNA切割實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)： 與傳統(tǒng)的SMC復(fù)合物利用頭部環(huán)繞DNA不同，Lamassu系統(tǒng)通過直接結(jié)合雙鏈DNA的“末端”來感知危險(xiǎn)。這種DNA末端通常只在噬菌體大量復(fù)制或細(xì)菌基因組受損時(shí)才會大量出現(xiàn) 。同時(shí) 研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一個有趣的現(xiàn)象：高濃度ATP（代表細(xì)胞健康 狀態(tài) ）會抑制系統(tǒng)的 核酸酶 活性，而低濃度ATP（代表細(xì)胞遭噬菌體攻擊導(dǎo)致能量耗竭）則會促進(jìn)系統(tǒng)與DNA結(jié)合 并切割DNA，揭示了一種DNA末端感知和能量水平監(jiān)測的雙重檢查機(jī)制。聯(lián)合團(tuán)隊(duì)還捕捉到了效 應(yīng)蛋白的釋放與多聚化 現(xiàn)象，即噬菌體DNA的結(jié)合導(dǎo)致 原本被“囚禁”的LmuA釋放出來 ， 重獲自由 的 LmuA單體會在細(xì)胞質(zhì)中迅速發(fā)生形變，并組裝成一個活性的四聚體結(jié)構(gòu)。 該 四聚體就像一臺全速運(yùn)轉(zhuǎn)的碎紙機(jī)，能夠無差別地切割細(xì)胞內(nèi)的所有DNA，最終導(dǎo)致受感染細(xì)菌的死亡（ 流產(chǎn) 感染），從而犧牲小我，阻斷了噬菌體在菌群中的進(jìn)一步傳 播。

綜上，本研究不僅展示了Lamassu系統(tǒng)從靜息到激活的完整分子圖像，還揭示了SMC家族蛋白在原核生物免疫中的全新功能——不僅是染色體的維護(hù)者，更是免疫系統(tǒng)的核心支架。通過解析LmuA從單體到四聚體的激活路徑，為理解細(xì)菌如何利用多聚化機(jī)制控制免疫應(yīng)答提供了新的理論框架。

圖1 細(xì)菌La massu 防御系統(tǒng)的工作模式圖

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士研究生李明，博士后趙曉龍，北京化工大學(xué)博士研究生趙興雨、李棟，熊偉佳為本論文的共同第一作者，北京化工大學(xué) 生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 馮越教授、張怡副教授與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)部的張凱銘教授為本文的共同通訊作者。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41589-025-02102-z

制版人： 十一

參考文獻(xiàn)

1. Doron, S. et al. Systematic discovery of antiphage defense systems in the microbial pangenome.Science359, eaar4120, (2018).

2. Millman, A. et al. An expanded arsenal of immune systems that protect bacteria from phages.Cell Host Microbe30, 1556–1569, (2022).

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