为了能在噬菌体感染下存活，细菌进化出了各种抗噬菌体防御系统，其中最普遍的是限制-修饰（RM）和CRISPR-Cas，RM是细菌利用限制酶剪切外源入侵DNA，并通过对特定的自身DNA序列进行表观修饰从而阻止被限制酶剪切，CRISPR-Cas是细菌细胞内含有曾经攻击过该细菌的噬菌体的基因片段，细菌通过这些片段来检测噬菌体入侵，并利用Cas蛋白剪切入侵噬菌体的DNA。除此以外，后来科学家也陆续发现了许多其他的细菌的防御机制，但是人们仍然不知道这些防御系统是如何感知噬菌体入侵的。
2023年4月7日，来自以色列魏茨曼科学研究所的Rotem Sorek研究团队在Cell上发表题为Discovery of phage determinants that confer sensitivity to bacterial immune systems 的文章，分离得到了177个可以逃逸15种不同的细菌防御系统的噬菌体突变体，并特异性鉴定了不同的反转录子防御系统的决定因子和相应的噬菌体激活因子，并归纳发现了3条通用的细菌防御系统感应途径，即噬菌体DNA复制机器组分、噬菌体结构组分和参与宿主接管机制的组分。
研究人员首先将一系列最近报道的细菌防御系统集合起来，包括4个CBASS系统、8个反转录子系统、2个SIR2依赖的系统、BREX、DISARM、Viperin系统和38个其他未知功能的系统，他们将这些系统从原始物种中克隆出来并引入大肠杆菌或枯草芽孢杆菌中，总共得到了62个细菌株系，包含54个不同的防御系统。
然后他们用12种大肠杆菌噬菌体和14种枯草芽孢杆菌噬菌体感染具有不同防御系统的细菌株系，发现有一部分发生自发突变的噬菌体可以逃避细菌的防御系统，形成噬菌体斑，称为“逃逸者”，他们总共筛选了199对噬菌体-宿主对，并成功分离出了177个可以逃逸15个防御系统的噬菌体突变体，他们对这些突变体进行基因组测序，发现83%的突变体都仅包含一个点突变，大部分突变都发生在参与DNA复制（DNA聚合酶、解旋酶、单链DNA结合蛋白等）、噬菌体结构（衣壳蛋白、尾部纤维等）或宿主接管机制（RecBCD抑制因子、RM抑制因子等）的基因上。
接下来他们对反转录子防御系统的逃逸者噬菌体进行进一步研究，反转录子系统是由反转录录酶、非编码RNA和效应蛋白组成的，在感受到噬菌体入侵后会激活细胞自杀或生长停滞，即顿挫性感染（噬菌体无法进行复制）。他们首先成功分离出了可以逃逸3种反转录子系统的噬菌体，共得到33个逃逸者噬菌体，在10个逃逸了Se72反转录子系统的噬菌体中，9个是在RecBCD（修复大肠杆菌细胞内双链DNA断裂的复合物）抑制蛋白Gam上发生突变，进一步他们发现在逃逸了反转录子Eco8系统的噬菌体中，很多都发生了单链DNA结合蛋白（SSB）基因上的突变，SSB对噬菌体DNA的复制十分重要。反转录子可以反转录形成单链DNA，并进一步形成多拷贝单链DNA（msDNA），反转录子Eco8形成的msDNA直接感知噬菌体SSB蛋白，激活顿挫性感染。
最后为了研究细菌如何抵抗感染，他们将鉴定到的野生型噬菌体基因表达在带有不同防御系统的细菌细胞中，一共检测了24对防御系统-噬菌体基因，发现其中5对表达噬菌体基因对具有防御系统的细菌细胞是有害的，而对没有防御系统的细菌是无害的，这5种防御系统分别是Hachiman、ietAS、Borvo、I型Mokosh和Dazbog，这5种防御系统是通过顿挫性感染来抵抗噬菌体的，并且也鉴定到了激活相应系统的噬菌体基因。
病毒免疫系统如何感知噬菌体入侵
总的来说，这项研究揭示了细菌免疫系统感知噬菌体入侵的核心原则，即感知噬菌体的DNA复制机器组分、噬菌体结构组分或宿主接管相关机制组分，不同的细菌防御系统都汇集到这三条核心的原则上。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.cell.2023.02.029
