“地球上所有的生命形式都有同样的问题，”说 乔纳森·卡根，波士顿儿童医院的免疫学研究员。 “那就是处理感染。” 正如我们担心细菌感染一样，细菌也在警惕感染它们的称为噬菌体的病毒，并且——就像每个生命王国中的每一个有机体一样——它们已经进化出一系列分子工具来对抗感染。
像人类这样的大型复杂生物可以在巨大的免疫系统上挥霍，这些免疫系统由专门的细胞组成，可以检测或摧毁入侵者。 植物和细菌等较简单的生物通常需要依赖多任务蛋白质套件，这些蛋白质就像瑞士军刀一样，可以胜任这两项工作。 由于防御是一个普遍关注的问题，因此许多这些防御系统通过进化得以保存并在包括人类在内的多种生物之间共享也就不足为奇了。
但是， 一项新的研究 本月发表于 科学 发现细菌和古细菌（最古老的生命形式的简单原核细胞）中的一个蛋白质家族以前所未有的方式检测病毒。
像手套一样合身
由于基因测序和生物信息学技术的进步，细菌使用的许多抗病毒防御措施在过去 50 年内才开始出现。 但在过去十年中，由于利用细菌 CRISPR-Cas9 系统的强大基因编辑工具，人们对它们的兴趣激增。 该工具的成功促使研究人员更加关注细菌分子如何识别病毒并消除它们。
其中一些抗病毒防御系统，例如 CRISPR-Cas9，识别噬菌体注入宿主的 DNA 中的特定序列。 其他人不直接感知病毒碎片，而是对病毒造成伤害的证据做出反应，例如受损的 DNA 或故障的细胞过程——在闯入现场的破碎玻璃的分子等价物。
但称为 Avs 蛋白的细菌免疫传感器也没有，正如研究人员领导的那样 冯章 麻省理工学院的 尤金·库宁 国家生物技术信息中心的研究人员现已发现。 Avs 蛋白可以直接检测细胞被劫持的机器制造的病毒蛋白。
蛋白质监测对微生物来说是一种危险的策略：即使是一些突变也可能使蛋白质的氨基酸序列无法识别，从而使病原体逃脱检测。 人类和其他脊椎动物的适应性免疫系统可以追逐病毒蛋白，因为它们可以部署数十亿个专门的细胞来进行搜索——这种选择对单个细菌不开放。
然而，张的研究小组发现，Avs 蛋白不会被氨基酸序列的微小变化或大的变化所困扰。 “我们测试了 24 种不同的噬菌体，涵盖 XNUMX 个噬菌体家族，”说 亚历克斯·高，斯坦福大学的生物化学家和该论文的主要作者，“发现 Avs 几乎存在这种全面激活”。
不同病毒家族中的目标蛋白质具有几乎完全不同的氨基酸序列，但它们都执行相同的工作：缠绕病毒 DNA 链并将它们包装成新形成的病毒颗粒。 因此，它们都保留了相同的功能形状。
研究小组意识到，Avs 蛋白利用了这种分子相似性。 高解释说，这些蛋白质“识别三维折叠和形状，而不是序列”。 Avs 蛋白“基本上像手套一样包裹在手上”。 这种类型的 3D 结构识别“据我们所知，在分子生物学中没有很多先例，”他补充说。
这些病毒蛋白逃避 Avs 检测的唯一方法是变异成无法识别的形状。 但是“改变形状而不破坏蛋白质的稳定性或以其他方式损害其在噬菌体中的功能并非易事，”Koonin 说。
Avs 蛋白的多功能、全方位识别技能不仅限于发现感染细菌的病毒。 Koonin 回忆起曾开玩笑地问高，Avs 蛋白是否可以检测动物疱疹病毒——论文中测试的噬菌体的非常远亲。 令他惊讶的是，高回答说：“是的，我们已经这样做了！ 他们是这样。” Avs 蛋白识别人类疱疹病毒中的 DNA 包装蛋白，尽管识别比细菌噬菌体弱。
“这是我第一次知道入侵者识别元件可以识别感染如此遥远生物的病毒，”说 罗腾索雷克魏茨曼科学研究所的微生物遗传学家没有参与这项研究。
当 Avs 蛋白检测到病毒蛋白时，它们可以通过多种方式攻击病毒——至少其中一些以细菌自我毁灭而告终。 细胞自杀作为一种防御似乎不直观，但细菌通常生活在具有强烈遗传相似性的菌落中。 Koonin 说，通过摧毁自己，受感染的细胞可以保护本质上是它们双胞胎的邻居，这作为一种进化策略“非常有意义”。
此外，当病毒蛋白对细菌的 Avs 防御变得明显时，病毒已经在组装自身的副本，并且很快就会从受感染的细胞中爆发出来。 在那一点上，Sorek 说，“无论如何，噬菌体无法逃脱死亡。”
小老师
在他们对细菌和古细菌中其他免疫防御的研究中，研究人员发现了与人类和其他生物更复杂的真核细胞中的那些惊人的相似之处。 其中一些遗传 形式和功能的相似之处 足够接近表明我们真核生物直接从我们的原核生物祖先那里继承了我们的一些防御。
我们是否继承了任何 Avs 蛋白还有待观察。 虽然少数人类先天免疫传感器可以识别特定的病原体蛋白，但还没有人在我们的先天免疫传感器中发现类似蛋白质形状识别的功能。 Avs 蛋白与某些真核生物防御分子有一些有趣的结构相似性，但这种相似性可能是趋同进化和模式识别作为防御策略的力量的产物。 “大自然可能真的很喜欢制造这些[免疫传感器]，因为它工作得非常好，”高说。
鉴于蛋白质形状识别对细菌和古细菌的效果如何，我们可能期望像 Avs 蛋白质这样的东西最终会出现在真核生物中。 卡根认为，如果不出意外，这一发现可能会激发人们对研究蛋白质作为先天免疫反应靶标的兴趣。
细菌“并没有停止教我们，”卡根说。 “他们教我们 DNA 复制，他们教我们 DNA 修复，他们教我们细胞分裂，现在他们可以教我们免疫。”
