За последнее десятилетие у бактерий открыто множество систем антивирусной защиты, построенных по модульному принципу: сенсор распознаёт вирус, а эффектор запускает гибель или остановку роста клетки. Многие эффекторные домены разрушают NAD+, жизненно важный кофермент, и такая стратегия оказалась настолько удачной, что независимо возникла у нескольких семейств белков. Работа стоит в русле поиска новых эффекторных доменов через анализ соседства с известными защитными системами, рядом с исследованиями бактериальных генов и электростатических карт вирусных геномов.
Авторы начали с белка Avs2 из Pseudomonas chlororaphis, у которого N-концевой домен неизвестной функции DUF4062 структурно напоминал TIR-домены, известные NAD-гидролазы. Структуру предсказали с помощью AlphaFold3 и сравнили с базой данных PDB, обнаружив сходство с каталитическим центром TIR. Затем проверили защитную активность белка против фагов, измерили уровни NAD+ и ADP-рибозы в заражённых клетках, а также проверили, мешает ли защите фаговый путь восстановления NAD. Для поиска гомологов построили скрытую марковскую модель домена и просканировали базы данных прокариотических и эукариотических геномов. Активность человеческого домена TEP1 проверили в бактериях, in vitro с флуоресцентным аналогом NAD+ и методом HPLC.
Домен DUF4062, переименованный в NIR, оказался NAD-гидролазой: при заражении фагом он истощал NAD+ и накапливал ADP-рибозу, а мутация каталитического глутамата полностью отменяла защиту. NIR обнаружен в 8,7% секвенированных прокариотических геномов и статистически значимо соседствует с известными системами защиты (20,0% против 3,9% случайных, p<10^-134). Домен найден в составе нескольких защитных систем, включая новые Vulcan и Vesta, которые также истощают NAD+ при фаговой инфекции. У эукариот NIR широко распространён, особенно у амёбозоев (76%), хоанофлагеллят (96%) и животных (88%), а у человека присутствует в белках Nwd1, Nwd2, TEP1 и псевдогене TTC41. Человеческий NIR-домен TEP1 при экспрессии в E. coli вызывал гибель клеток и истощение NAD+, а очищенный домен in vitro гидролизовал NAD+ до ADP-рибозы и никотинамида.
Работа добавляет NIR в растущий список NAD-разрушающих эффекторных доменов бактериального иммунитета и показывает, что этот домен сохранил ферментативную активность у человека. В отличие от соседних работ, сосредоточенных на бактериальных системах или электростатике вирусных геномов, здесь впервые продемонстрирована NAD-гидролазная активность человеческого белка TEP1, что связывает бактериальную защиту с неизвестной функцией vault-частиц. Это открывает путь к пониманию роли NAD+ в vault-рибонуклеопротеинах и возможной сигнальной функции NIR-доменов у животных.
Тема может развиваться в сторону выяснения биологической функции NAD-гидролазной активности TEP1 в vault-частицах и её связи с PARP4, другим NAD-зависимым ферментом. Открытым остаётся вопрос, работает ли NIR в теломеразном комплексе или только в vault. Возможно, NIR-домены у животных, подобно TIR-доменам, диверсифицировались от разрушения NAD к производству сигнальных молекул или белок-белковым взаимодействиям.
Результаты повлияют на исследования врождённого иммунитета, клеточного старения и структуры vault-частиц, а также на поиск новых ферментов, метаболизирующих NAD.
Необходимо проверить NAD-гидролазную активность полноразмерного TEP1 в человеческих клетках и выяснить, как она регулируется партнёрами по комплексу. Также стоит исследовать, производят ли другие NIR-содержащие белки человека сигнальные молекулы на основе NAD.
Работа напрямую связана с нерешённой загадкой функции vault-рибонуклеопротеинов, открытых более тридцати лет назад, и с вопросом о том, как эволюционно консервативные ферментативные домены меняют свою роль от разрушительной защиты к регуляторным процессам у эукариот.
Названия новых защитных систем Vulcan и Vesta даны в честь римских божеств огня и домашнего очага, что отражает их способность «сжигать» NAD+ при вирусной атаке.
Идея универсального молекулярного переключателя, уничтожающего клеточное топливо при вторжении, напоминает механизм самоуничтожения в «Звёздных войнах», где корабль отключает все системы, чтобы не достаться врагу.
Работа опубликована не на arXiv. Здесь её страница, PDF и формализация: проверить можно самим, а не только прочитать наш разбор.