中国学者一作Cell论文：解析细菌Kiwa系统的抗病毒防御机制

来源：生物世界 2025-07-30 11:14

细菌和古菌进化出了多种多样的防御机制来抵御病毒（噬菌体）的侵害。例如在细菌和古菌中广泛存在的CRISPR-Cas 系统，对该系统的研究不仅揭示了基本的生物学过程，还带来了革命性的新技术，让基因编辑、表达调控和 RNA 敲低成为可能。

许多最近发现的细菌防御机制，尤其是那些与膜相关的防御机制，我们仍知之甚少，Kiwa系统就是其中一个例子。Kiwa 系统是已测序细菌基因组中 20 个最丰富的防御系统之一，这表明其防御谱广泛且进化成功。其由两种蛋白成分组成：四通跨膜蛋白 KwaA 和KwaB，然而，Kiwa 系统是如何感知噬菌体并提供保护的，目前仍不清楚。

2025 年 7 月 28日，纪念斯隆凯特琳癌症中心张志莹博士、南安普顿大学吴仪博士等作为共同第一作者，在国际顶尖学术期刊Cell上发表了题为：Kiwa is a membrane-embedded defence supercomplex activated at phage attachment sites 的研究论文。

该研究解析了细菌的一种跨膜防御机制 Kiwa 系统，揭示了细菌如何在噬菌体附着瞬间，启动分子级别的防御围栏来抑制噬菌体的复制。

细菌和古菌部署了多种抗病毒防御系统，但其中许多防御系统的具体机制尚未得到阐明。

在这项最新研究中，研究团队对Kiwa 系统进行了描述，这是一个分布广泛的双组分抗病毒防御系统，由跨膜传感器KwaA和 DNA 结合效应子KwaB组成。

冷冻电镜分析表明，四聚体 KwaA 与四组 KwaB 二聚体组装成一个大的围栏状跨膜超级复合体。噬菌体结合后，KwaA 在膜上感知到感染，导致 KwaB 与被释放的噬菌体 DNA 结合，并抑制其复制和后期转录，而不诱导宿主细胞死亡。尽管 KwaB 能够独立结合 DNA，但其抗病毒活性需要与 KwaA 结合，这表明存在空间或构象上的调控。

研究团队进一步证明了，噬菌体编码的 DNA 模拟蛋白 Gam 直接与 KwaB 结合并抑制其活性，但与 Gam 靶向的RecBCD 系统共表达时，Kiwa 系统的防御保护作用得以恢复。也就是说，同时存在Kiwa 系统和RecBCD 系统的细菌，难以被噬菌体同时突破防线，这也揭示了细菌不同防御系统之间发挥协同和互补作用。

该研究的核心发现：

Kiwa 在噬菌体附着的膜位点被激活；

Kiwa 形成了由 KwaA 和 KwaB 构成的跨膜超级复合物；

KwaB 与噬菌体 DNA 结合以阻止复制和后期转录；

噬菌体编码的 DNA 模拟蛋白 Gam 抑制 Kiwa，但 RecBCD 保持防御功能。

总的来说，该研究表明，Kiwa 系统是一种不诱导宿主细胞死亡的膜激活防御机制，通过协调膜相关噬菌体感染检测与下游效应物的 DNA 结合，从而形成一种空间上协调一致的抗病毒机制。此外，这项研究还支持了这样一种观点 原核生物的系统是一个相互关联、多层次的网络，利用冗余性和多样性来应对快速进化的噬菌体的威胁。这些发现为设计新型抗菌工具、合成生物学应用及细胞器工程提供了宝贵的结构模板。