文獻分享：Biology and evolution of bacterial toxin-antitoxin systems

iGEM 2023

文獻分享

Biology and evolution of bacterial toxin-antitoxin systems

DOI: 10.1038/s41579-021-00661-1IF: 78.297 Q1 B1

背景與(yu) 介紹

本文章對毒素-抗毒素領域的進展進行了全麵綜述。它描述了毒素-抗毒素係統的分類，它們(men) 在不同水平上的調節方式，以及毒素的分子作用模式。回顧了過去關(guan) 於(yu) 毒素-抗毒素係統的研究和最新進展，並討論這些模塊在基因組進化中發揮主要作用的可能性。

此外，這篇綜述還提供了毒素-抗毒素係統的天然特性的使用實例，即作為(wei) 生物技術和醫療工具等。最後，它總結並提出了一係列亟待解決(jue) 的問題，對該研究細分領域的未來提出展望。

毒素-抗毒素係統分類

I：類型一（hok-sok）

    除了I型和VIII型係統之外，編碼毒素抗毒素的基因總是連鎖的，通常以操縱子的形式存在。 

    抗毒素基因轉錄出反義(yi) RNA特異性結合毒素基因mRNA，抑製毒素蛋白的表達。

II：類型二（ccd）

    抗毒素基因轉錄表達抗毒素蛋白，與(yu) 毒素基因表達的毒素蛋白中和，維持穩態。

III：類型三

    抗毒素基因編碼Pseudoknot RNA，這些小RNA與(yu) 毒素蛋白的作用靶點相互作用並隔離毒素蛋白的作用位點，解除其影響。

IV：類型四

    抗毒素基因編碼蛋白質抗毒素，並與(yu) 毒素蛋白的作用靶點相互作用以隔絕毒素蛋白的影響。

V：類型五

    抗毒素基因編碼核酸內(nei) 切酶，特異性降解毒素蛋白的mRNA，阻止其翻譯過程。

VI：類型六

    抗毒素基因編碼毒素基因的特異性降解標記，誘導毒素蛋白在蛋白酶的作用下降解。

VII：類型七

    抗毒素基因編碼蛋白酶可以將毒素蛋白進行轉錄後修飾，使其失去功能。

VIII：類型八（creT–creA）

    抗毒素基因轉錄出反義(yi) RNA幹擾毒素基因表達。

    抗毒素基因轉錄出的RNA模仿CRISPR-RNA的功能去招募Cas蛋白並構成複合物，抑製轉錄。

毒素-抗毒素係統的調控方式

    總體(ti) 而言，機體(ti) 內(nei) 的抗毒素水平會(hui) 高於(yu) 毒素，以維持穩定狀態，這在各級層麵上有著精準的調節機製和過程。

（一）轉錄水平的自我調節

    一般而言，毒素抗毒素係統的基因順序為(wei) 抗毒素基因在前，而毒素基因以極小的間隔連鎖其後，或者享有重疊的的ORF（開放閱讀框）。這樣的排布順序可以優(you) 先保證抗毒素的供應，使其濃度水平在沒有擾動的情況下高於(yu) 毒素，維持穩定。

    圖中的轉錄水平自調節機製，綠色的抗毒素蛋白由兩(liang) 部分組成，分別為(wei) DNA結合結構域（識別回文序列），毒素結合結構域。在抗毒素過量的情況下，抗毒素蛋白結合在啟動子上抑製毒素抗毒素係統的轉錄表達，而當毒素過量並飽和結合抗毒素時，毒素抗毒素蛋白複合物從(cong) 啟動子上脫離，重新開啟該係統的表達。

（二）轉錄後水平的調節機製

    在轉錄後水平的RNA-AntiRNA調節機製中，其反義(yi) RNA 一般在RNA的互補鏈中進行編碼。

    在抗毒素基因轉錄出與(yu) 毒素mRNA 相結合的反義(yi) RNA 存在的情況下，抗毒素反義(yi) RNA與(yu) 毒素mRNA相互配對作用，抑製核糖體(ti) 對mRNA的識別結合，最終該複合體(ti) 將被雙鏈特異性的RNA降解酶降解，從(cong) 而抑製毒素功能的正常發揮。

   在抗毒素RNA不存在的情況下，該 mRNA的配對結構可以在核糖體(ti) 結合後發生調整，並使得核糖體(ti) 可以與(yu) mRNA 中的RBS結合，並最終導致毒素蛋白的翻譯。

（三）翻譯後水平的調節機製

    細菌的翻譯後水平調節機製紛繁複雜，蛋白質一經合成，便通過各種機製進行調節：毒素與(yu) 抗毒素形成複合物而被中和、毒素催化位點的封閉、形成阻止毒素接近其底物的空間位阻、毒素空間二級結構的破壞 、抑製毒素二聚體(ti) 相互活化作用等等...具體(ti) 案例詳見上述毒素類型機製介紹。

毒素活性靶點

     通常情況下，毒素是在宿主細胞的細胞質中或內(nei) 膜中的具有較小活性的單域蛋白或肽，最近有研究將RNA毒素也納入其中。

     毒素的作用機理主要分為(wei) 四個(ge) 部分：①毒素損傷(shang) DNA以及其複製過程；②毒素分解RNA或者妨礙翻譯過程；③毒素損害細胞膜或細胞骨架；④誘導代謝應激毒素的產(chan) 生。

（一）毒素損害DNA及其複製

1.CcdB型：誘導複製叉的崩潰，從(cong) 而導致雙鏈斷裂，誘導SOS反應和細胞死亡。

2.FicT型：抑製ATP水解活性，抑製複製過程。

3.DarT型：將ADP核糖片段從(cong) NAD⁺轉移到單鏈DNA上，引起DNA損傷(shang) 並引發SOS反應。

4.SocB型：通過直接與(yu) DNA聚合酶的β-滑動鉗相互作用，從(cong) 而破壞DNA複製的持續性。

5.RalR型：切割甲基化和非甲基化的DNA。

（二）毒素分解RNA或阻礙翻譯

1.MazF型：以低特異性降解遊離的RNA。

2.VapC型：特異性地切割反密碼子莖環。

3.RelE型：在核糖體(ti) 中切割RNA。

4.HipA型：特異性磷酸化氨酰基tRNA合成酶，從(cong) 而抑製特定地tRNA。

5.Doc型：磷酸化並使延長因子EF-Tu失活，從(cong) 而抑製tRNA向核糖體(ti) 轉移。

6.ToxSAS型：將焦磷酸片段從(cong) ATP上轉移到tRNA受體(ti) 地CCA端來進行阻斷。

7.MenT型：將嘧啶連接到受體(ti) 莖上，進而阻斷。

8.HEPN型：切割tRNA的受體(ti) 莖。

9.CreT型：捕獲稀有的tRNA，從(cong) 而阻止翻譯的進行。

10.AtaT型：使氨基酸乙酰化。

（三）毒素損害細胞膜和細胞骨架

1.CbtA型：與(yu) 隔膜蛋白FtsZ和細胞骨架蛋白MreB結合，抑製兩(liang) 者的聚合。

2.TisB/HoKB型：引起膜的去極化，破壞質子動力。

3.GhoT型：利用兩(liang) 個(ge) 穿膜螺旋，進而引起影細胞。

4.ζ型：抑製肽聚糖、脂多糖的合成，從(cong) 而抑製細胞壁的合成。

（四）誘導代謝應激毒素的產(chan) 生

1.ToxSAS型：通過消耗ATP/GTP產(chan) 生(p)

ppApp/(p)ppGpp來抑製細胞的翻譯過程。

2.MbcT型：水解消耗NAD⁺。

毒素-抗毒素係統的生理效應

    該係統的生理效應主要有三個(ge) 板塊：①細菌生理和適應性調節；②作為(wei) 抑菌應激模塊和參與(yu) 抗生素持久性的休眠效應；③與(yu) 基因組之間的衝(chong) 突。

（一）細菌生理和適應性調節

    MazEF作為(wei) 許多應激條件下控製細胞程序性死亡的自殺模塊。這裏的應激條件包括了氨基酸匱乏、DNA損傷(shang) 、胸腺嘧啶無性死亡、氧化應激和抗生素治療等。上述的應激條件被提出使以ppGpp依賴的方式引起MazE抗毒素的消耗，而MazF則會(hui) 以一種選擇性的方式導致翻譯被抑製。這種選擇性的翻譯會(hui) 導致絕大多數細胞種群的死亡，從(cong) 而將營養(yang) 物質釋放給存活的細胞。

    根據以上提出的翻譯重編程的概念，可以進一步的擴展PCD模型：一個(ge) MazF調控子在其5’非翻譯區含有ACAMazF切割位點的基因組成，而當MazF被激活時，切割作用會(hui) 優(you) 先發生在這些位點上，同時MazF會(hui) 在16SrRN的3’端切割ACA位點，從(cong) 而消除anti-Shine-Dalgarno序列，從(cong) 而產(chan) 生專(zhuan) 門的核糖體(ti) ，而這些核糖體(ti) 就會(hui) 優(you) 先翻譯構成MazF調節子的mRNA。

（二）作為(wei) 應激模塊和參與(yu) 抗生素持久性的休眠效應

    有研究表明，異位誘導MazF和II型毒素RelE具有抑菌作用，它們(men) 可以通過共同表達他們(men) 的同源毒素來挽救，而這些毒素的過度表達已經被證明使可以通過切割mRNA來減少翻譯，且兩(liang) 個(ge) 係統都被證明是可以在氨基酸匱乏時以(p)ppGpp不依賴的方式進行上調。

    在大腸杆菌Δ10菌株（含MazF和RelE係統）中，多種毒素-抗毒素係統缺失導致暴露於(yu) 氨苄西林和環丙沙星後持久性會(hui) 逐漸降低，這說明毒素-抗毒素係統是冗餘(yu) 的。

   毒素-抗毒素係統激活的信號級聯：(p)ppGpp在存活細胞中的隨機積累會(hui) 通過合成多磷酸導致Lon蛋白酶的激活，進而導致抗毒素的蛋白水解、毒素釋放和這種翻譯的阻滯。這種（p)ppGpp依賴性毒素-抗毒素係統誘導的“休眠”會(hui) 導致一些中毒細胞暫時耐受抗生素治療，並且在抗生素被去除後恢複生長。

（三）與(yu) 基因組的衝(chong) 突

    一些觀點認為(wei) 毒素-抗毒素係統的基因是自私的，因為(wei) 它們(men) 在基因組中分布不均勻，容易產(chan) 生水平基因轉移。同時，它們(men) 促進自身的垂直傳(chuan) 播，從(cong) 而使攜帶它們(men) 的複製子受益，甚至會(hui) 犧牲宿主細胞；除此之外，該係統還會(hui) 參與(yu) 基因組衝(chong) 突。

    質粒編碼的毒素-抗毒素係統通過一種PSK機製來促進複製子的垂直遺傳(chuan) ，而因為(wei) 抗生素的內(nei) 在不穩定性，不能遺傳(chuan) 毒素-抗毒素係統編碼質粒會(hui) 導致抗毒素耗盡和沒有質粒的細胞被殺死。

    圖a表示的是II型係統介導的質粒成癮依賴於(yu) 毒素（紅色）和抗毒素（綠色）蛋白之間的差異穩定性。不能遺傳(chuan) 質粒的子細胞中，抗毒素將不會(hui) 再得到補充，毒素將會(hui) 從(cong) 毒素-抗毒素複合物中被釋放出來，並殺死細胞，從(cong) 而使得質粒得到維持。抗毒素是可以隔離質粒編碼的毒素，從(cong) 而保護細胞在質粒丟(diu) 失的時候被殺死。

    作為(wei) 噬菌體(ti) 防禦機製的毒素-抗毒素係統，其也可以作為(wei) 流產(chan) 感染係統：既能夠殺死受感染細胞來阻止噬菌體(ti) 擴散的基因。而已知的噬菌體(ti) 防禦現象已經在幾種類型的係統中被發現。例如hok-sok係統、rnlAB係統、toxlN係統和abiE係統。

    圖b表示的是就是抗噬菌體(ti) 和噬菌體(ti) 的中和係統。III型係統街道的抗噬菌體(ti) 機製依賴於(yu) 毒素（紅色）和RNA抗毒素（綠色）之間的差異穩定性。在噬菌體(ti) 感染的細胞中，宿主基因的轉錄會(hui) 受到抑製，不穩定的抗毒素無法被補充，因此毒素會(hui) 被釋放，並且能夠降解噬菌體(ti) 的轉錄物，進而阻止噬菌體(ti) 的形成來阻止噬菌體(ti) 的繁殖。

毒素-抗毒素係統進化

（一） 毒素-抗毒素係統的動力學

   毒素-抗毒素進化的主要原因：①與(yu) MGEs 的關(guan) 聯；②自私的本性。

    MGEs 是毒素-抗毒素係統的有效載體(ti) ，因為(wei) 它們(men) 具有自轉座和/或可傳(chuan) 播的性質，幾乎所有的MGE都帶有毒素-抗毒素係統。實驗進化分析表示，編碼 HEPN-MNT 係統的轉座子轉置到感興(xing) 趣的質粒中，從(cong) 而增加其穩定性。

    毒素-抗毒素係統很可能通過水平轉移沉積在染色體(ti) 中，例如，大腸杆菌 K-12 菌株中的大多數 II 型毒素-抗毒素係統在腸杆菌質粒中具有密切的同源物。這主要是由於(yu) 毒素-抗毒素係統的成癮性，即使沒有對整個(ge) 元素施加選擇壓力，攜帶毒素-抗毒素係統的質粒或 MGE 通常可能穩定整合到染色體(ti) 中。而MGE可能會(hui) 在之後衰減，隻留下毒素-抗毒素係統。

    多項研究發現毒素-抗毒素係統通常構成基因組胰島；從(cong) 一種菌株到另一種菌株具有高度可變性，即使在同一物種內(nei) 也是如此，這兩(liang) 點進一步證明了毒素-抗毒素係統很可能通過水平轉移。

    如圖所示，在大腸杆菌的四個(ge) 種群中，毒素-抗毒素係統很少從(cong) 一種菌株到另一種菌株是保守的，即使在同一個(ge) 譜係群內(nei) ：

①一些毒素-抗毒素係統在一個(ge) 係統群（例如，mqsRA）或多個(ge) 係統群（例如，prlF-yhaV 和 hipBA）中表現出準普遍的保守性，表明這些係統在係統群內(nei) 垂直傳(chuan) 播；

②一些係統幾乎是普遍保守的（例如，prlF–yhaV），其他零星地出現在係統發育過程中，沒有明確的模式（例如，chpB 或 relBE），表明通過水平基因轉移進行了多個(ge) 獲取事件；

③而一些具有非常強遺傳(chuan) 連鎖的毒素-抗毒素係統（例如，dinJ-yafQ 和 yafNO，相距 6 kb）在這些基因組中沒有表現出強烈的共現性，這表明這些係統可以獨立於(yu) 水平獲得彼此，並通過多次進化。

    毒素-抗毒素係統被認為(wei) 通過淨化選擇而分化。淨化選擇，指選擇性地清除對生物體(ti) 有害或減弱適應度的突變。它的進化受遺傳(chuan) 漂變影響，如果出現使毒素失活的突變或重排就會(hui) 衰退並消失。如大腸杆菌中hok-sok係統以及 ccd 係統的退化就是源於(yu) 點突變導致的毒素失活。而毒素-抗毒素係統在基因組還原進化過程中處於(yu) 中間活躍狀態，與(yu) 基因組進化有密切關(guan) 係，它的大量存在可能與(yu) 特定物種的基因組可塑性和強烈的基因通量有關(guan) 。

  移動遺傳(chuan) 元件 (mobiles genetic elements, MGEs) 如質粒、噬菌體(ti) 、基因組島、轉座子和插入序列等是能夠在細胞內(nei) 外移動、攜帶編碼特定功能基因的基因組片段，在生物體(ti) 基因轉移和基因重組方麵以及物種進化方麵起著不可小覷的推動和調節作用，並且一直是研究的熱點。MGE 也是橫向基因轉移事件的指示物，代表著生物體(ti) 對不同環境的主要適應性機

（二）毒素-抗毒素係統的多樣性和模塊化

    盡管一些毒素結構相似，但具有不同的作用模式。這表明它們(men) 很可能起源於(yu) 一個(ge) 共同的祖先，並在進化過程中分化。

    在一個(ge) 毒素-抗毒素複合體(ti) 中，抗毒素會(hui) 高度專(zhuan) 一地識別和中和某一種毒素，II型抗毒素具有DNA結合結構域，采用各種折疊（HTH，RHH，SpoVT-AbrB和Phd-YefM）調節毒素-抗毒素操縱子的表達，這些結構域不與(yu) 任何毒素家族相關(guan) ），使Ⅱ型係統具有模塊化特征。不同的毒素和抗毒素可以“混合匹配”，也為(wei) 新係統的生成提供了可能。

（三） 多態毒性係統的儲(chu) 庫

    大多數毒素-抗毒素係統中編碼的毒素可以在其他環境中找到，如多態性毒素係統分泌的效應蛋白和一些III/IV/VI型分泌係統的效應因子與(yu) 毒素蛋白等的結構相似。一些研究追溯了毒素-抗毒素係統和分泌效應器之間的進化聯係，說明毒素-抗毒素係統和某些分泌係統可以相互作為(wei) 新的效應因子的儲(chu) 備庫，反之亦然。

    多態性毒素係統是廣泛存在於(yu) 細菌中的編碼毒性效應蛋白的係統，這些蛋白的羧基端可以連接高度多樣的毒性結構域，其中一些與(yu) 毒素-抗毒素係統的毒素結構相似。

 總結

    文章對毒素-抗毒素的多樣性與(yu) 作用機製進行了詳細的概括總結。在此基礎上，通過對係統的基因活動描述，包括係統在細菌基因組中的強大擴張與(yu) 基因組島的關(guan) 係、係統參與(yu) 基因組衝(chong) 突的小自私模塊（有利於(yu) 維持攜帶它們(men) 的複製子）、係統隨著基因組和宏基因組數據的指數級增長等，以及對轉錄翻譯過程毒素-抗毒素的結構研究，分析了毒素-抗毒素係統在生物中進化特點與(yu) 原因。

    同時，文章提出了一些未解決(jue) 的問題，包括染色體(ti) 毒素-抗毒素係統是否保留介導PSK的能力，激活毒素-抗毒素係統的關(guan) 鍵因素是什麽(me) 等等。

    此外，這篇綜述還提供了毒素-抗毒素係統作為(wei) 生物技術和醫療工具應用的實例。

參考文獻：

Jurėnas D, Fraikin N, Goormaghtigh F, Van Melderen L. Biology and evolution of bacterial toxin-antitoxin systems. Nat Rev Microbiol. 2022 Jun;20(6):335-350.

The End

2023 SCU-China iGEM

中同學組