2025年2月20日，Science雜誌發表了華中農業大學韓文元教授團隊牽頭完成的題為「Base-modified nucleotides mediate immune signaling in bacteria」的研究成果。該文章揭示了細菌免疫新機制，發現了一種以鹼基修飾核苷酸為第二信使的細菌抗噬菌體免疫信號通路，稱之為「孔明系統」（Kongming），該機制通過借用噬菌體自身成分激活免疫反應，為理解微生物間的生存博弈開闢了新視角。鸿运国际(中国)為本研究提供了建庫測序服務。
基本信息
Base-modified nucleotides mediate immune signaling in bacteria
發表期刊：Science（IF=41）
發表時間：2025.2.20
DOI：10.1126/science.ads6055
研究技術
質粒構建、蛋白表達純化、噬菌體文庫構建和測序等
研究背景
所有細胞生物都面臨着病原體入侵的持續威脅，這推動了複雜免疫系統的進化。免疫信號在整個原核生物和真核生物抗病毒系統中都很普遍，包括動物和植物中的cGAS-STING、OAS-RNaseL和Toll/白介素-1受體 (TIR) 依賴性系統，以及細菌和古生菌中的類型III CRISPR-Cas、CBASS、Thoeris和 Pycsar系統。涉及的免疫信號分子從原核生物到動物和植物的進化過程中都是保守的，通常包括環狀 (寡) 核苷酸和環狀腺苷酸核糖 (cADPR) 變體，其他類型信號分子的存在尚不清楚。
研究意義
揭示了非經典核苷酸在細菌免疫系統中的重要作用，為理解免疫系統進化提供了新視角。為研究真核生物免疫系統中的非經典核苷酸信號傳導提供了新模型。為開發新的抗病毒策略提供了理論基礎。
研究發現
Kongming系統通過基因組分析，研究人員發現了這個包含komA、komB和komC的三基因操作子，為了驗證這一假設，研究人員將Kongming系統克隆到大腸桿菌中，並測試其對多種噬菌體的防禦效果。結果顯示，Kongming系統能夠有效抵禦多種噬菌體的感染，表明其具有廣泛的抗噬菌體活性。
圖1 Kongming系統結構（A：孔明系統的三基因簇在細菌基因組中的分佈，顯示其與已知防禦系統的關聯；B：孔明系統中三個基因的結構域如何協同工作）
dITP作為免疫信號Kongming系統的獨特之處在於其通過核苷酸修飾介導免疫信號。 與已知的利用環狀核苷酸或ADPR作為信號分子的免疫系統不同，孔明系統通過產生dITP這一非典型核苷酸來啟動免疫反應。當dITP與KomBC複合物結合後，KomC將迅速耗竭細胞內的NAD+，導致細胞死亡，防止病毒的進一步擴散。這一過程實際上是一種細菌的「自殺」機制，目的是為了保護未受感染的細菌個體，從而保證整個群體的生存。
圖2 dITP的免疫信號分子作用（A：dITP激活KomBC複合物，並觸發NAD+的降解過程；B：KomB對dITP的識別作用）
病毒的抗性機制儘管Kongming系統為細菌提供了強大的防禦機制，但噬菌體也進化出了相應的反制策略。研究發現，一些病毒，尤其是T5類噬菌體，會通過編碼抗防禦蛋白（如T5Dmp）來破壞這一免疫機制。T5Dmp通過去磷酸化細胞內的dAMP，從而抑制dITP的合成，保護病毒免受細菌免疫系統的攻擊。這一現象揭示了細菌與病毒之間複雜的「軍備競賽」，即病毒不斷進化出新的抗免疫策略，而細菌則通過快速變化的免疫系統來應對這些威脅。正是這種相互鬥爭推動了微生物免疫系統的多樣化和進化。
圖3 dITP的免疫信號分子作用
圖4 噬菌體DNK和Dmp的協同作用
孔明系統的多樣性Kongming系統的發現不僅揭示了細菌抗噬菌體防禦的新機制，還為理解細菌免疫系統的進化提供了新的視角。研究人員通過系統發育分析發現，Kongming系統中的KomB和KomC在進化過程中形成了穩定的複合物，表明它們在細菌免疫中的功能高度保守。此外，Kongming系統的模塊化結構使其能夠通過交換傳感器和效應器組件快速多樣化，從而應對不斷進化的噬菌體威脅。這種模塊化特性使得Kongming系統在細菌基因組中廣泛分佈，並與其他防禦系統協同作用，形成複雜的免疫網絡。
圖5 孔明系統的進化分析
研究結論
這項研究發現了細菌免疫系統的一種基於非經典核苷酸dITP的全新信號傳導機制，並揭示了其功能和進化過程。「孔明」系統由三個基因編碼，劫持噬菌體核苷酸激酶和自身腺苷脫氨酶合成dITP，進而激活KomBC效應器複合物，導致細胞NAD+耗竭，最終引發感染細胞的死亡。「孔明」系統的進化與多樣性與其在防禦噬菌體入侵中的重要作用密切相關。此外，研究還發現噬菌體編碼的脫氧核苷酸5′單磷酸酶（Dmp）可以通過降解dAMP來抑制 「孔明」免疫，從而阻止dITP的合成，為噬菌體對抗細菌免疫提供了新的機制。這項研究不僅揭示了細菌免疫系統在進化過程中的多樣性和適應性，還為理解真核生物免疫系統中的非經典核苷酸信號傳導提供了新的模型，並為開發新型抗病毒策略提供了理論基礎。
參考文獻：
Zeng,Z., Hu, Z., Zhao, R., et al. (2025). Base-modified nucleotides mediate immune signaling in bacteria. Science, 10.1126/science.ads6055.
