細菌和古菌進(jìn)化出了多種多樣的防御機制來(lái)抵御病毒（噬菌體）的侵害。例如在細菌和古菌中廣泛存在的 CRISPR-Cas 系統，對該系統的研究不僅揭示了基本的生物學(xué)過(guò)程，還帶來(lái)了革命性的新技術(shù)，讓基因編輯、表達調控和 RNA 敲低成為可能。
許多最近發(fā)現的細菌防御機制，尤其是那些與膜相關(guān)的防御機制，我們仍知之甚少，Kiwa 系統就是其中一個(gè)例子。Kiwa 系統是已測序細菌基因組中 20 個(gè)最豐富的防御系統之一，這表明其防御譜廣泛且進(jìn)化成功。其由兩種蛋白成分組成：四通跨膜蛋白 KwaA 和 KwaB，然而，Kiwa 系統是如何感知噬菌體并提供保護的，目前仍不清楚。
2025 年 7 月 28 日，紀念斯隆凱特琳癌癥中心張志瑩博士、南安普頓大學(xué)吳儀博士等作為共同第一作者，在國際頂尖學(xué)術(shù)期刊 Cell 上發(fā)表了題為：Kiwa is a membrane-embedded defence supercomplex activated at phage attachment sites 的研究論文。
該研究解析了細菌的一種跨膜防御機制--Kiwa 系統，揭示了細菌如何在噬菌體附著(zhù)瞬間，啟動(dòng)分子級別的防御圍欄來(lái)抑制噬菌體的復制。
細菌和古菌部署了多種抗病毒防御系統，但其中許多防御系統的具體機制尚未得到闡明。
在這項最新研究中，研究團隊對 Kiwa 系統進(jìn)行了描述，這是一個(gè)分布廣泛的雙組分抗病毒防御系統，由跨膜傳感器 KwaA 和 DNA 結合效應子 KwaB 組成。
冷凍電鏡分析表明，四聚體 KwaA 與四組 KwaB 二聚體組裝成一個(gè)大的圍欄狀跨膜超級復合體。噬菌體結合后，KwaA 在膜上感知到感染，導致 KwaB 與被釋放的噬菌體 DNA 結合，并抑制其復制和后期轉錄，而不誘導宿主細胞死亡。盡管 KwaB 能夠獨立結合 DNA，但其抗病毒活性需要與 KwaA 結合，這表明存在空間或構象上的調控。
研究團隊進(jìn)一步證明了，噬菌體編碼的 DNA 模擬蛋白 Gam 直接與 KwaB 結合并抑制其活性，但與 Gam 靶向的 RecBCD 系統共表達時(shí)，Kiwa 系統的防御保護作用得以恢復。也就是說(shuō)，同時(shí)存在 Kiwa 系統和 RecBCD 系統的細菌，難以被噬菌體同時(shí)突破防線(xiàn)，這也揭示了細菌不同防御系統之間發(fā)揮協(xié)同和互補作用。
該研究的核心發(fā)現：
Kiwa 在噬菌體附著(zhù)的膜位點(diǎn)被激活；
Kiwa 形成了由 KwaA 和 KwaB 構成的跨膜超級復合物；
KwaB 與噬菌體 DNA 結合以阻止復制和后期轉錄；
噬菌體編碼的 DNA 模擬蛋白 Gam 抑制 Kiwa，但 RecBCD 保持防御功能。
總的來(lái)說(shuō)，該研究表明，Kiwa 系統是一種不誘導宿主細胞死亡的膜激活防御機制，通過(guò)協(xié)調膜相關(guān)噬菌體感染檢測與下游效應物的 DNA 結合，從而形成一種空間上協(xié)調一致的抗病毒機制。此外，這項研究還支持了這樣一種觀(guān)點(diǎn)--原核生物的免疫系統是一個(gè)相互關(guān)聯(lián)、多層次的網(wǎng)絡(luò )，利用冗余性和多樣性來(lái)應對快速進(jìn)化的噬菌體的威脅。這些發(fā)現為設計新型抗菌工具、合成生物學(xué)應用及細胞器工程提供了寶貴的結構模板。
論文鏈接：
https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(25)00791-3
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