点赞!北京化工大学在国际学术期刊《细胞》发表2篇研究论文

　　2023年2月6日和2月8日

　　北化科研团队先后在国际学术期刊《细胞》在线发表研究论文

 

　　01

　　我校冯越教授课题组在《Cell》发文揭示噬菌体抑制和逃逸细菌CBASS免疫系统的分子机制

　　基于环状寡核苷酸的抗噬菌体信号系统(cyclic-oligonucleotide-based antiphage signaling system)，简称CBASS，是细菌的重要免疫系统。噬菌体感染细菌后将遭遇细菌免疫系统的抵抗，但噬菌体同时也采用多种策略对抗细菌的免疫系统，目前研究最清楚的是噬菌体可编码多种蛋白质以抑制宿主免疫系统如CRISPR-Cas以及限制性修饰系统，但目前尚不清楚噬菌体是否有抑制或逃避CBASS免疫系统的机制。

　　2023年2月6日，我校冯越课题组与美国加州大学旧金山分校Joseph Bondy-Denomy课题组合作在Cell在线发表了题为Bacteriophages inhibit and evade cGAS-like immune function in bacteria的研究论文，报道了噬菌体抑制和逃逸细菌CBASS免疫系统的机制。

　　本文通过生物信息学分析，共计筛选出252株不同的含有CBASS系统的P. aeruginosa菌株，使用CRISPR-Cas技术将其CBASS基因座敲除，最终筛选出一种具有天然功能性的CBASS免疫系统的菌株P. aeruginosa BWHPSA011 (Pa011)。该菌株含有cGAS样酶CdnA，其可产生3’, 3’-cGAMP用以响应PaMx41噬菌体感染，从而激活磷脂酶(CapV)效应蛋白，发挥CBASS系统的免疫功能。而PaMx41噬菌体的逃逸突变体可产生一种抗CBASS系统的蛋白Acb2，那么Acb2如何发挥其抗性功能呢?冯越教授课题组结合生物化学、结构生物学等多种手段，阐明了Acb2抑制CBASS系统的功能机制。首先，他们发现Acb2可高效结合3’, 3’-cGAMP分子，但不具有酶活。冯越课题组解析了Acb2蛋白及其结合3’, 3’-cGAMP的复合物的结构，结构显示Acb2蛋白自身为一个紧凑的六聚体结构，其可结合3个3’, 3’-cGAMP分子，每个3’, 3’-cGAMP分子位于两个Acb2单体N端形成的“结合口袋”中，形成稳定的相互作用。通过吸附并隔离3’, 3’-cGAMP，Acb2有效地破坏了CBASS系统的免疫作用(图1)。后续通过体外生化实验，他们又进一步证实了Acb2还可以结合c-di-AMP/3’, 3’-c-di-UMP/2’, 3’-cGAMP/3’, 3’-cUA/UG等多种寡核苷酸信号分子，覆盖I型和II型两种CBASS系统，显示出Acb2是一种基于cGAS酶的免疫系统的广谱抑制蛋白。此外他们还发现，Acb2的缺失会造成CBASS系统阻断噬菌体的复制及溶原诱导，但少数噬菌体会通过主要的衣壳基因的突变来逃避CBASS系统的免疫作用(图1)。

　　综上，本文发现了内源性CBASS系统的抗噬菌体免疫作用，并提出了噬菌体抑制和逃避CBASS系统免疫的有效策略。Acb2蛋白作为广谱抑制蛋白，其可以通过结合多种环状寡核苷酸来抑制多种类型的CBASS系统。美国加州大学旧金山分校博士研究生Erin Huiting与我校博士研究生曹雪利为本论文的共同第一作者，我校冯越教授与加州大学旧金山分校Joseph Bondy-Denomy教授为本文的共同通讯作者。

　　原文链接： https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0092867422015847

　　通讯作者简介： 冯越，北京化工大学生命学院教授，博士生导师，国家优秀青年基金获得者(2018)。主要以生物化学与分子生物学、结构生物学、细胞生物学等为手段，对微生物与宿主免疫系统相互作用等领域相关蛋白质的结构与功能开展研究。共发表SCI论文44篇，其中通讯作者(含共同)论文22篇，分别发表在Nature、Cell、Mol. Cell、Nat. Chem. Biol.、PNAS、Nat. Plants、Nat. Commun.、Nucleic Acids Res.、J. Biol. Chem.等国际著名期刊。作为负责人主持国家及省部级项目多项。曾获得全国青年岗位能手(2020)、北京市优秀青年人才(2020)、北京市科学技术进步奖二等奖(2018)、中国十大新锐科技人物(2018)、北京市科技新星(2019)等荣誉。

　　02

　　北京化工大学Jens Nielsen与

　　刘子鹤课题组

　　在《Cell》发表研究论文

　　2023年2月8日，国际顶级学术期刊《细胞》在线发表了题为“Flux Regulation through Glycolysis and Respiration is Balanced by Inositol Pyrophosphates in Yeast”的研究论文。北京化工大学软物质科学与工程高精尖创新中心客座教授Jens Nielsen教授和生命科学与技术学院的刘子鹤教授为该文共同通讯作者，生命科学与技术学院谭天伟教授参与该研究工作。北京化工大学秦宁博士为第一作者，北京化工大学为第一完成单位。中国科学院天津工业生物技术研究所夏建业研究员为代谢通量的测定提供了大力支持。本研究工作得到科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金委及北京化工大学中央高校基本科研业务费的大力资助。

　　糖酵解是细胞中最古老且最基本的代谢途径。在原核生物中，糖酵解途径呈现趋异进化(EMP途径, ED途径, PK途径)而真核生物呈现趋同进化(只有EMP途径)。之前有研究在大肠杆菌中构建了非氧化型糖酵解途径，实现了糖酵解途径的替换。那么，真核生物中的糖酵解途径是否也可以替换为其他途径?如果可行，真核细胞又是如何适应这种代谢压力的?研究人员首先阻断了酵母的EMP途径，并进行了实验室自适应进化实现了真核模式生物酿酒酵母的糖分解代谢这一代谢基础的改动和替换，证明了真核生物中心碳代谢网络结构的可塑性。经过全基因组测序等系统生物学解析以及反向验证后，确定了MTH1，HXK2，OCA5三个突变位点。其中OCA5功能未有报导，研究人员在野生型酵母中敲除了OCA5并发现糖酵解的通量轻微下降但呼吸链的通量显著提升。研究人员通过系统发育树等分析，发现OCA5与其他OCA蛋白家族成员关系较远，但对OCA5和OCA3的蛋白结构进行比较显示了二者结构和可能的功能类似。OCA3之前被鉴定为肌醇焦磷酸酶，其催化形成的肌醇焦磷酸盐是影响生物过程的重要细胞信使。那么OCA5是否也是一种肌醇焦磷酸酶呢? 其对生物过程通过何种机制进行调控?

　　研究人员分别在体外和体内验证了OCA5可以催化5-InsP7到InsP6，即OCA5是一种新的肌醇焦磷酸酶。进一步研究显示，OCA5和OCA3均可以在丙酮酸脱羧酶缺失菌株中解除葡萄糖引发的呼吸抑制。同时，研究人员在毕赤酵母 (crabtree negative) 中也证明了OCA5的敲除可以提高线粒体总量，提示OCA5的功能并不局限于crabtree positive的酿酒酵母。表明磷酸肌醇分子对呼吸和糖酵解的代谢的调节是一个超出crabtree effect的更为基础和深远的影响机制。通过转录组学分析以及验证实验研究人员指出5-InsP7很可能是通过Gcr1和Hap4两个转录因子来实现对呼吸和糖酵解的中心调控的，而其中Gcr1可以被5-InsP7焦磷酸化已被证实。Hap4转录因子的表达提升极有可能是通过Mig1的亚细胞定位所影响，且该过程是不依赖于Snf1信号机制。该结果表明除被广泛研究的AMPK 信号途径和mTERC信号途径以外，InsP6作为ATP的能量感应器，可以对细胞的代谢通过转录因子控制中心碳代谢宏观扰动的方式来实现能量代谢的调节。该结果加深了研究人员对磷酸肌醇能量代谢机制的认识。呼吸和代谢通量的相互调节也是癌症治疗的一个重要研究方向。OCA蛋白家族内部差异极大的系统发育分析结果表明在真核生物中肌醇焦磷酸分布的隐蔽性。目前为止，在高等真核生物中尚未有肌醇焦磷酸酶的发现。该结果很可能也揭示了一个挖掘癌症机制及其治疗靶点的潜在方向。

　　除上述对磷酸肌醇重要机制的拓展与完善外，该论文还证明了混合型糖酵解酵母作为新型底盘细胞工厂的重要应用意义，对生产以乙酰辅酶A为前体的化学品具有巨大潜力。研究人员以脂肪酸的生产为例探索混合型糖酵解酵母的潜力并最终实现了2678 mg/L的产量，这是迄今为止使用酿酒酵母的摇瓶发酵条件生产脂肪酸的最高产量，以及酿酒酵母生产游离脂肪酸所报道的最高底物得率。同时，混合型糖酵解酵母和OCA5突变的引入使得菌株的中心碳代谢发生重塑，避免了在高浓度葡萄糖产生的溢流代谢，将大大简化其补料控制过程，节约下游发酵过程的人力物力投入，具有重要的工业应用价值和商业竞争力。

　　该研究解释了焦磷酸肌醇作为能量传感器调控平衡糖酵解和呼吸通量的重要机制，并提供了酵母如何在能量短缺压力下通过调节转录因子影响代谢可塑性的见解。同时，该研究证明了混合型糖酵解酵母作为新型细胞工厂底盘的应用潜力。后续相关工作还在继续开展，在酵母细胞工厂领域有意从事合作研究或博士后研究的科研工作者欢迎联系刘子鹤老师(zihe@mail.buct.edu.cn)。

　　原文链接：https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(23)00044-2

　　通讯作者简介：刘子鹤，北京化工大学生命科学与技术学院教授、博士生导师，国家级青年人才。主要研究方向为合成生物学工具开发、细胞机制解析、第三代生物炼制细胞工厂的开发等。共发表SCI论文43篇，其中近5年共发表一作通讯作者文章22篇，包括Cell, Nature Catalysis, Nature Communications, PNAS等，并主持包括国家重点研发计划重点专项课题在内的国家及省部级科研项目9项。

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