Cell：高璞团队揭示RADAR超分子机器执行RNA脱氨和抗病毒免疫的机制

发布于:免疫学研究 2023-02-12 3101

宿主细胞依赖多种免疫应答机制来对抗病毒感染。其中，针对核酸分子的免疫识别和操作是核心的抗病毒免疫策略，广泛存在于从细菌到哺乳动物等几乎所有宿主系统（图1）。相较于哺乳动物细胞稍显复杂的信号转导和调控，细菌往往更为简单高效，其编码的多种抗病毒免疫系统可直接对核酸分子进行切割或修饰（图1）。这种特点使得细菌免疫系统被广泛用于多种生物学工具的开发（如R-M和CRISPR-Cas等），促进整个生命医学领域的发展。

图1.针对核酸分子的免疫识别和操作

近期，张锋和Eugene Koonin团队鉴定出拥有全新核酸修饰活性的细菌免疫系统——RADAR（phage restriction by an adenosine deaminase acting on RNA）。RADAR是目前已知唯一可通过催化RNA的A-to-I（adenosine-to-inosine）脱氨来执行抗病毒功能的细菌防御系统，包含两种核心组分即RdrA（ATPase酶活性）和RdrB（腺苷脱氨酶活性），且这两种酶活性对于RADAR执行功能都是必须的。病毒感染后，RADAR被激活并广泛催化宿主及病毒的转录组RNA脱氨，造成被感染细胞的死亡，进而阻断病毒传播。RADAR在抗病毒免疫和RNA修饰方面展现出多种新颖特点，且有潜力被开发为新型的生物学工具，因此受到领域内的广泛关注。当前，关于RADAR的研究仅是冰山一角，还有较多核心科学问题亟待回答。

2023年2月9日，中国科学院生物物理研究所高璞团队在 Cell 期刊发表了题为：Molecular basis of RADAR anti-phage supramolecular assemblies 的研究论文。

该研究发现了RADAR不同组分间的互作关系，揭示了其通过形成新型超分子复合体来实现RNA装载、运输和脱氨修饰的精妙偶联机制，拓展了科学家对细菌-病毒博弈复杂性的认知，并为开发基于RADAR的多种生物学工具提供了思路。

此前已知能催化RNA A-to-I 脱氨的酶只有ADAR和ADAT两类，从进化上均属CDA超家族。而RADAR中的脱氨酶组分RdrB，在进化上却属于差别巨大的ADA超家族。RdrB的大小近3倍于经典ADA成员，除催化结构域外还存在多个作用未知的插入区域。为更好地剖析RdrB的功能，研究人员解析了RdrB的高分辨率冷冻电镜结构，发现了12个RdrB按照特定方式组装成一个闭合的笼状结构（~1.1MDa）。该笼状结构拥有典型的正六面体排列，这在ADA和CDA超家族中均未被报道。这种精巧的组装依赖于催化结构域和多个插入区域的协同作用。进一步的功能实验表明，RdrB亚基间的互作对抗病毒功能至关重要。所有RdrB的催化口袋都朝向笼子的外侧，暗示其随时准备识别和催化临近的底物。

研究通过结构分析和生化验证发现，RdrB并不能有效结合含Stem-Loop元件的底物RNA。那么，对RADAR功能同样关键的另一个组分RdrA，是否会协助RdrB对RNA的修饰？科研人员解析了RdrA的结构发现，RdrA同时组装成单层的7聚体环（~0.75 MDa）和由两个7聚体环叠合而成的双层14聚体环（~1.5 MDa）。每个7聚体环都呈现为顶部结构稳定、而底部结构动态多变的特点，提示这两个区域潜在的不同功能。更重要的是，RdrA环中心形成了一个独特的通道，其直径和表面电荷均符合底物RNA的特点，提示该通道可能用于底物运输。后续生化实验表明，RdrA环与Stem-Loop RNA存在特异性结合，且RNA的存在可显著促进RdrA的ATPase酶活性。接下来，研究人员解析了RdrA与Stem-Loop RNA复合物的结构，捕捉到RNA装载到RdrA环的动态底部的构象。同时，研究发现RNA的装载与ATP的结合存在联动关系，提示RdrA可通过控制ATP水解来发挥其底物的装载和运输功能。

基于上述工作，科研人员基本确定了RdrA负责底物装载和运输，而RdrB负责底物脱氨的功能分工，但不清楚两者如何实现酶活偶联。研究人员通过生化实验确定了RdrA和RdrB之间存在直接互作，并进一步通过结构解析阐明了两者互作的分子细节。RdrA的7聚体环通过其结构稳定的顶部与RdrB笼进行对接，且RdrA环的底物运输通道恰好与RdrB的活性中心对齐，从而实现了底物装载、运输和修饰的巧妙偶联。结构分析还表明，1-12个RdrA 7聚体环可以通过动态的方式与RdrB笼对接。完整组装的RADAR复合体包含96个蛋白亚基，颗粒直径40 nm，仅蛋白部分的分子量达10.1 MDa。

除了RNA类底物，研究还发现RdrB及RdrA-RdrB复合物也可以催化多种小分子代谢类底物（ATP/dATP/ADP/dADP/AMP/dAMP/adenosine）的脱氨反应。近期有工作表明，细胞内的小分子类inosine大量聚集，也会对细胞产生毒性并使其生长停滞。因此，RADAR对RNA类底物和小分子类底物的脱氨修饰，可能共同推动了其有效的抗病毒功能。