在微观世界里，细菌和细菌病毒——噬菌体之间关乎生死的“军备竞赛”从未停歇。面对噬菌体的入侵，细菌演化出了包括CRISPR-Cas、Sir2-HerA以及DSR1/2在内的多样化“防御武器”。其中，Sir2-HerA、DSR1/2等防御系统通过迅速耗竭细胞内的NAD⁺（氧化还原代谢核心辅因子），来“自毁”细胞以阻断噬菌体的复制与扩散，这种自救策略被称为“流产感染”。然而，道高一尺，魔高一丈，噬菌体应对该策略也演化出了精妙的反制手段。

近日，基础医学院冯友军团队联合复旦大学生科院甘建华团队，在Science Advances发表题为“Phage-encoded NARP3 system rebuilds NAD⁺ to subvert bacterial immunity”的研究论文，首次揭露了这场微观攻防战中的反制机制。

研究团队发现了一类由噬菌体编码的新型NAD⁺重建通路——NARP3，该机制展现了噬菌体极为精妙的破局智慧：它们能够利用细菌生长环境中的烟酰胺核糖（NR），通过“摄取-接力催化”机制重建NAD⁺代谢池，从而精准突破细菌Sir2-HerA、DSR1/2等防御系统的免疫封锁，从而达到继续感染细菌的目的（图1）。

图1.NARP3介导的NAD⁺重建通路

噬菌体的NAD+代谢修复：NARP3系统

以Sir2-HerA为代表的细菌防御系统，常常通过消耗NAD⁺来破坏细胞代谢稳态，让噬菌体因缺乏复制所需的能量和原料而失去复制能力。面对这种以“切断代谢供给”为核心的免疫策略，噬菌体又如何重新夺回NAD⁺代谢的主动权？研究团队在大肠杆菌TrudiRoth噬菌体的基因组中，发现了一组紧密相邻的双基因模块Bas30_86/87（图2），与已知的NARP1和NARP2不同，该模块独辟蹊径，以环境中广泛存在的烟酰胺核糖（NR）作为起始底物，重新构建NAD+代谢池，故将该模块命名为NARP3（第三类噬菌体编码的NAD⁺重建通路）。

进一步的生物信息学分析显示，这类NARP3模块在肠杆菌科噬菌体基因组中高度保守且分布广泛，尤其在大肠杆菌噬菌体中（图2）。这一进化特征直观地证实，NARP3是噬菌体在长期协同演化压力下被选择并保留下来的重要武器。

图2.双基因模块Bas30_86/87（NARP3系统）的基因环境与分布

精妙的“两步走”战略：从获取原料到接力合成

NARP3系统的高效运作，依赖于一套分工明确、协同作战的“两步走”战略，由Bas30_87和Bas30_86两个蛋白精密配合完成。Bas30_87蛋白是一种PnuC类膜转运蛋白，它以三聚体的形式组装，能够特异性识别并结合环境中的NR分子，将其“搬运”进细胞内。研究团队构建的Bas30_87蛋白突变体，当结合口袋的关键残基N45、Q94和N180被突变后，Bas30_87蛋白与NR的结合能力明显下降，整个NARP3系统的反防御功能也随之瓦解（图3），该结果进一步验证了其捕获NR分子的关键作用。

图3.Bas30_87搬运蛋白的功能解析

如果说Bas30_87是负责捕获原料的“搬运工”，那么Bas30_86就是一座高度自动化的“分子合成工厂”。作为一种NadR类双功能酶，Bas30_86集成了两个分工明确的结构域：C端的烟酰胺核糖激酶（RNK）结构域与N端的烟酰胺单核苷酸腺苷酰转移酶（NMNAT）结构域。NR经Bas30_87捕获进入细胞后，一场“接力合成赛”随即展开。第一棒：NR分子首先进入Bas30_86 C端的RNK结构域（site 1），经ATP供能，被磷酸化修饰，转变为中间产物NMN（烟酰胺单核苷酸）。交接棒：NMN中间产物被迅速从RNK结构域传递至N端的NMNAT结构域（site 2）。冲刺阶段：在NMNAT结构域内，NMN再次接受来自ATP的腺苷酰基，最终合成NAD⁺（图4）。

图4.Bas30_86蛋白的结构及生化分析

结构生物学解析和突变实验共同证实，这一跨结构域的“底物接力”机制是NARP3系统的核心。该研究证实，这一分子流水线操作极其精密，任一结构域中的关键底物结合位点或催化残基发生突变，均能导致整条合成链条瞬间瘫痪。而失去了NAD⁺代谢池的重建能力，噬菌体便无法突破细菌的免疫封锁，其复制与扩增的尝试也将彻底宣告失败。

浓度依赖的“开关”与广谱的反防御能力

研究团队同时发现，NARP3系统受到环境中NR浓度的精密调控，呈现出清晰的剂量-效应关系（图5）。在缺乏外源NR的培养基中，即使噬菌体携带NARP3系统，也难以突破Sir2-HerA系统的防御。但随着环境中NR浓度的微量提升（半有效浓度仅为微摩尔级别），噬菌体的感染和增殖能力便迅速恢复。这表明，NARP3系统像一个灵敏的“代谢开关”，能够根据外部环境的“粮草”丰歉，动态调整其反击强度。

值得关注的是，NARP3还展现出了广谱的反防御能力，它能帮助噬菌体突破Sir2-HerA和DSR1这类NAD⁺耗竭型免疫系统。这一结果表明，NARP3并非针对某一种特定的免疫蛋白进行“定点清除”，而是从更高层面修复被多种防御系统共同造成的“代谢损伤”。这种“治本”的策略，使其具备了更强的适应性和可移植性。

图5.NARP3系统NR底物剂量依赖

从基础发现到应用潜力：为对抗耐药菌提供新武器

为检测NARP3在实际应用中的潜力，研究团队将其引入了临床重要的多重耐药病原菌——肺炎克雷伯菌中。作为ESKAPE耐药菌的重要成员，肺炎克雷伯菌的噬菌体疗法开发一直是临床抗感染研究的焦点。实验结果显示，在肺炎克雷伯菌背景中，面对分别来源于大肠杆菌、鲍曼不动杆菌和肺炎克雷伯菌的Sir2-HerA防御系统，NARP3都能稳定地帮助噬菌体恢复感染能力（图6）。这再次有力证明，NARP3破解的是细菌免疫的“共性效应”——NAD⁺耗竭。因此，该系统更有可能在不同菌株、不同免疫背景下保持活性，可以为构建能够适应复杂临床环境的“通用型”工程噬菌体提供宝贵的基因元件。

图6.NARP3系统的通用性

该研究不仅揭示了一种全新的噬菌体反防御模式，即通过“代谢修复”而非“蛋白抑制”来赢得生存，也为我们理解细菌与噬菌体之间围绕核心代谢资源展开的攻防博弈提供了全新视角。未来，基于NARP3系统升级改造的工程化噬菌体，有望成为破解多重耐药菌感染困局的一把硬核利器，为临床抗感染治疗带来全新的希望。

该研究工作获得国家重点研发计划（2023YFC2307100与2023YFC2308403）、国家自然科学基金委的杰出青年科学基金项目（32125003）及浙江大学多器官衰竭教育部重点实验室开放基金项目（2023KF04）的资助。浙江大学冯友军课题组严佳、刘巳羽、粟智、滕高钦与复旦大学甘建华课题组罗召荣为论文共同第一作者；浙江大学冯友军教授和复旦大学甘建华教授担任该论文的通讯作者。