我们复杂的免疫系统包含了一道又一道防线，专门的B细胞和T细胞能帮助身体识别特定的病原体，抵御各种侵害。

(相关资料图)

然而，在自然界，即使是最简单的单细胞生物，比如细菌和古菌，同样会用各种各样的防御策略来抵御病毒感染，其中一些系统甚至已经帮助科学家发展出了突破性的生物技术，比如基于CRISPR的基因编辑。

科学家相信，在微生物世界，还有许多抗病毒武器有待发掘。

近日，一个研究团队再次发现了一种尚未开发的微生物防御系统，并确定了它的特征。他们整合遗传学、生物信息学、生物化学和结构生物学的方法并发现，细菌和古菌（合称为原核生物）中的某些蛋白质，能以格外直接方式检测病毒，识别病毒的关键部分，并诱导单细胞生物自行结束自己的生命，平息微生物群落中的感染。

这项研究是第一次在原核生物中发现这种机制。这表明，三个域的生物，也就是细菌、古菌和真核生物（包括动植物），都会使用保守病毒蛋白的模式识别来抵御病原体。研究已发表在《科学》上。

微生物武器库

在早期研究中，研究人员扫描了数十万个细菌和古菌的DNA序列数据，发现了成千上万个蕴含微生物防御特征的基因。在新研究中，团队集中研究了少数编码酶的基因，这些酶属于STAND ATP酶家族，在真核生物中，这些酶会参与先天免疫反应。

在人类和植物中，STAND ATP酶蛋白通过识别病原体本身的模式，或者细胞对感染的反应，来对抗感染。研究人员想知道，在原核生物中，这些蛋白质是否能以同样的方式抵御感染。

团队从先前的研究中筛选了一些STAND ATP酶基因，将它们引入细菌细胞，并用噬菌体病毒“测试”这些细胞。这些细胞出现了一种戏剧性的防御反应，并存活了下来。

科学家想知道，是噬菌体的哪一部分触发了这种反应，他们便将病毒基因单个分别引入细菌。

结果表明，两种病毒蛋白引发了免疫反应，一种是门户蛋白，它是病毒衣壳的一部分，其中包含病毒DNA；还有一种是末端酶，也就是一种分子马达，通过将病毒DNA推入衣壳来帮助组装病毒。这些病毒蛋白激活了不同的STAND ATP酶来保护细胞。

这一前所未见的发现出乎所有人意料。大多数已知的细菌防御系统会感知病毒的DNA或RNA，或因感染而产生的细胞胁迫。而这些细菌蛋白却直接感应到了病毒的关键部分。

团队接着发现，细菌STAND ATP酶蛋白可以识别来自不同噬菌体的不同门户蛋白和末端酶蛋白。令人惊讶的是，细菌有这些非常通用的传感器，可以识别它们可能遇到的各种噬菌体的威胁。

科学家还发现，这些蛋白质具有DNA内切核酸酶的功能，这种酶可以切开细菌自身的DNA并杀死细胞，从而限制病毒进一步传播。

惊人的是，在人体中实际上同样存在类似的过程，STAND ATP酶会诱发受感染细的程序性死亡，来应对细菌感染。

原核生物识别机制示意图。（图／Gao, L. A. et al., 2022）

结构分析

为了详细了解微生物STAND ATP酶如何检测病毒蛋白，研究人员使用冷冻电子显微术来检查它们与病毒蛋白结合时的分子结构。通过结构分析，他们了解到了关于这些物质如何发挥作用的更多细节。

团队看到，病毒的门户蛋白或末端酶蛋白能正好契合地在STAND ATP酶蛋白的一个小袋中，每个STAND ATP酶蛋白“抓住”一个病毒蛋白。

然后，STAND ATP酶蛋白以一种“四件套”的形式组合在一起，被称为四聚物，这让细菌蛋白的关键部分，也就是效应结构域聚集在一起。它激活了蛋白质的内切核酸酶功能，粉碎了细胞DNA并杀死细胞。

这些四聚物与来自其他噬菌体的病毒蛋白结合得同样紧密，这证明，STAND ATP酶感知的是病毒蛋白的三维形状，而不是其序列。

这有助于解释为什么一个STAND ATP酶可以识别几十种不同的病毒蛋白。也就是说，无论序列如何，它们都像戴进手套里的手那样“严丝合缝”。

显著的统一性

研究通讯作者之一、生物学家张锋教授表示，这项工作展示了在截然不同的生物体中识别模式的显著统一性。

人类和植物中的STAND ATP酶也会通过形成多单元复合物来工作，这些复合物激活了细胞中的特定功能。这是第一次，我们在各类生命中都发现了这一点。

#创作团队：

撰文：Måka

排版：雯雯

#参考来源：

https://news.mit.edu/2022/mit-scientists-discover-new-antiviral-defense-system-bacteria-0811

https://arstechnica.com/science/2022/08/bacteria-fight-off-viruses-with-a-protein-like-one-of-ours/

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abm4096

#图片来源：

封面图&首图：Feng Zhang, MIT