Cell | 超分辨显微镜Multi-SIM在细菌免疫新机制探究中的应用
在细菌与噬菌体的进化博弈中，基于环状寡核苷酸的抗噬菌体信号传导系统（CBASS，cyclic-oligonucleotide-based anti-phage signaling systems）是细菌的重要“护盾”。这一系统类似于哺乳动物的cGAS-STING通路，能通过合成环状核苷酸信号激活效应蛋白，触发细胞死亡以阻止噬菌体复制。其中，磷脂酶效应器（如CapE和CapV）是CBASS中分布最广的“武器”之一，它们通过降解细胞膜磷脂引发细胞裂解。然而，磷脂酶如何精准识别信号分子并激活、如何组装成具有杀伤功能的破坏性结构，一直是未解之谜。
助力研究新发现
2025年5月，北京理工大学生命科学学院高昂课题组联合中国科学院生物物理研究所高璞课题组在《Cell》发表题为“Cyclic-dinucleotide-induced filamentous assembly of phospholipases governs broad CBASS immunity”的研究。
技术要点
1、利用冷冻电镜和X射线晶体学，研究团队首次解析了CBASS磷脂酶CapE的三维结构，揭示其从“静默二聚体”到“活性丝状体”的动态转变：
● 静默状态：CapE以稳定的二聚体形式存在，关键催化通道被结构域封闭；
● 信号触发：环状二核苷酸cUA结合诱导CapE构象变化，暴露出丝状组装界面；
● 致命组装：CapE二聚体线性堆叠形成长丝状结构，同时打开磷脂酶活性位点，引发膜降解和细胞裂解。
2、Multi-SIM超分辨显微成像揭示体内CapE在真实感染场景中的行为改变。
研究人员在体外实验中发现，CapE在未结合配体时以稳定的二聚体形式存在，结合环二核苷酸 cUA后会发生多聚化，形成丝状结构。尽管体外实验揭示了 CapE的诸多特性，但在体外环境下的研究结果不一定能完全反映其在体内的真实情况。
为了验证CapE在真实感染场景中的行为，观察其在自然生理条件下是否也会形成丝状结构。研究团队运用Multi-SIM超分辨显微镜观察噬菌体感染前后的细菌：
👉 未感染时●●○
CapE荧光信号均匀分布在整个细菌内部；
👉 感染后●●○
CapE荧光信号聚集在细菌一极，形成与内膜紧密关联的聚集体，这表明CapE在体内发生了寡聚化。
图注：将带有C端mStaygold标签的CapE基因构建于含阿拉伯糖启动子的载体，转染至大肠杆菌BL21 (DE3)并与pRSF-duet-CdnE-DisA共表达（CdnE基因编码的蛋白可合成环二核苷酸cUA，cUA是激活CapE的关键信号分子，共表达是为了能够在大肠杆菌内重建一个相对完整的CBASS免疫反应体系，模拟细菌在自然状态下受到噬菌体感染时的免疫应答过程）。在噬菌体感染前后，分别收集处理后的大肠杆菌样本，用Multi-SIM采集超分辨率图像。比例尺，5 μm。
以超分辨视角，助力揭示CBASS系统中CapE的不同形态及分布
该研究揭示了在无噬菌体感染时，CapE呈无活性二聚体。一旦噬菌体入侵，CdnE合成cUA，CapE与之结合后，盖子环构象改变并封闭口袋，暴露表面位点，促使CapE形成丝状结构。此结构借助特定界面组装，稳定盖子环并改变α7螺旋，打开底物通道，激活磷脂酶活性，使CapE能够结合并破坏细胞膜，引发细胞死亡，阻止噬菌体繁殖。这一发现不仅明晰了CapE在CBASS免疫中的分子机制，更为相关抗菌策略研发和生物技术应用提供了重要理论支撑。
