一種切割宿主細胞ATP 的免疫策略可以保護細菌和更高級的生物免受病毒感染

據(jù)Rousset F 2023 年8 月17 日[Cell，2023，186（17）：3619-3631.e13.]報道，以色列魏茨曼科學(xué)研究所的研究人員研究發(fā)現(xiàn)一種新的蛋白家族，該蛋白家族的成員能夠消耗細胞的能量，從而保護細胞免受入侵者的傷害。 這一發(fā)現(xiàn)是以前未知的免疫機制，且并不僅僅存在于單細胞生物中。 這種機制在10 多億年的進化過程中是保守性的，從珊瑚到蜜蜂在內(nèi)的許多生物都利用它。

地球上所有生物的主要能量來源是以三磷酸腺苷（ATP）的分子形式存在的。 盡管用ATP 分子給細胞儲存能量至關(guān)重要，但是如今人們發(fā)現(xiàn)，讓它們釋放能量也同樣重要，甚至可以挽救生命。

細菌在與噬菌體（攻擊細菌的病毒）的對抗中使用了100 多種復(fù)雜的機制，這種新發(fā)現(xiàn)的策略是其中最新的一種。 就像攻擊人體的病毒一樣，噬菌體也由少量蛋白和大量遺傳物質(zhì)（DNA 或RNA）組成，它們將這些物質(zhì)注入到它們要占領(lǐng)的細菌中。 完成這項任務(wù)后，噬菌體就會利用細菌的分子機器來反復(fù)復(fù)制自己。當(dāng)它們耗盡了單個細菌的資源后，就會撕毀細菌膜，破膜而出，并擴散到整個細菌菌落。

在這項新的研究中，研究人員重點研究了一個引起他們注意的基因——它神秘地使噬菌體自我復(fù)制和感染菌落其他部分的能力失效。 他們發(fā)現(xiàn)，這個神秘的基因編碼是一種蛋白，該蛋白能切割并永久性地破壞ATP 分子，從而使入侵的噬菌體無法獲得自我復(fù)制所需的能量。這就是一種有效的免疫策略。他們推斷，該基因在細菌免疫系統(tǒng)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用：如果沒有該基因，感染細菌的噬菌體的復(fù)制速度會快100 倍。

降低細胞中的ATP 水平是一種簡單而高明的策略。 噬菌體在沒有能量的情況下無法復(fù)制，而細菌在任何情況下都會受到感染并即將死亡，因此最好是耗盡自己的能量，防止噬菌體復(fù)制并擴散到菌落的其他部分。 研究人員還發(fā)現(xiàn)，在某些情況下，耗盡ATP會影響噬菌體的控制系統(tǒng)，使這種控制系統(tǒng)在有機會復(fù)制之前過早地破壞細菌細胞膜。這就避免了對菌落造成更大范圍的破壞。令人吃驚的是，這種策略比人們想象的要普遍得多。 他們掃描了數(shù)萬種細菌的基因組數(shù)據(jù)庫，發(fā)現(xiàn)有1 000 多個以類似方式起作用的免疫基因。

此外，研究人員還驚奇地發(fā)現(xiàn)了一個稱為Detocs 的蛋白家族具有消耗ATP 的能力，而在此之前，人們甚至不知道這個蛋白家族屬于免疫系統(tǒng)。這表明他們發(fā)現(xiàn)了一種新的免疫策略，存在于數(shù)百種不同的細菌中，并能使它們有效地抵御噬菌體。然而，這項新的研究并沒有止步于細菌。研究人員進行的全面分析表明，更高級的生物如真菌、昆蟲（比如蜜蜂）、珊瑚、海綿和許多其他生物也會產(chǎn)生具有免疫功能的ATP 切割蛋白。 雖然人類體內(nèi)不存在這類免疫蛋白，但是他們認為，它們是構(gòu)成人類先天免疫系統(tǒng)的蛋白的古老前身。

在過去幾年中，許多研究都利用高級生物免疫系統(tǒng)的知識來揭示細菌使用的免疫策略。該新研究表明，積累的大量有關(guān)細菌免疫系統(tǒng)的知識使人們能夠遵循相反的邏輯：可以通過研究細菌的免疫系統(tǒng)來了解高級生物的免疫系統(tǒng)。 ATP 分子是自然界中最廣泛存在的分子之一，因此闡明它們在免疫中的作用可以極大地幫助人們了解無數(shù)生物在受到病毒攻擊時所采用的防御策略。