一种切割宿主细胞ATP 的免疫策略可以保护细菌和更高级的生物免受病毒感染

据Rousset F 2023 年8 月17 日[Cell，2023，186（17）：3619-3631.e13.]报道，以色列魏茨曼科学研究所的研究人员研究发现一种新的蛋白家族，该蛋白家族的成员能够消耗细胞的能量，从而保护细胞免受入侵者的伤害。 这一发现是以前未知的免疫机制，且并不仅仅存在于单细胞生物中。 这种机制在10 多亿年的进化过程中是保守性的，从珊瑚到蜜蜂在内的许多生物都利用它。

地球上所有生物的主要能量来源是以三磷酸腺苷（ATP）的分子形式存在的。 尽管用ATP 分子给细胞储存能量至关重要，但是如今人们发现，让它们释放能量也同样重要，甚至可以挽救生命。

细菌在与噬菌体（攻击细菌的病毒）的对抗中使用了100 多种复杂的机制，这种新发现的策略是其中最新的一种。 就像攻击人体的病毒一样，噬菌体也由少量蛋白和大量遗传物质（DNA 或RNA）组成，它们将这些物质注入到它们要占领的细菌中。 完成这项任务后，噬菌体就会利用细菌的分子机器来反复复制自己。当它们耗尽了单个细菌的资源后，就会撕毁细菌膜，破膜而出，并扩散到整个细菌菌落。

在这项新的研究中，研究人员重点研究了一个引起他们注意的基因——它神秘地使噬菌体自我复制和感染菌落其他部分的能力失效。 他们发现，这个神秘的基因编码是一种蛋白，该蛋白能切割并永久性地破坏ATP 分子，从而使入侵的噬菌体无法获得自我复制所需的能量。这就是一种有效的免疫策略。他们推断，该基因在细菌免疫系统中发挥着关键作用：如果没有该基因，感染细菌的噬菌体的复制速度会快100 倍。

降低细胞中的ATP 水平是一种简单而高明的策略。 噬菌体在没有能量的情况下无法复制，而细菌在任何情况下都会受到感染并即将死亡，因此最好是耗尽自己的能量，防止噬菌体复制并扩散到菌落的其他部分。 研究人员还发现，在某些情况下，耗尽ATP会影响噬菌体的控制系统，使这种控制系统在有机会复制之前过早地破坏细菌细胞膜。这就避免了对菌落造成更大范围的破坏。令人吃惊的是，这种策略比人们想象的要普遍得多。 他们扫描了数万种细菌的基因组数据库，发现有1 000 多个以类似方式起作用的免疫基因。

此外，研究人员还惊奇地发现了一个称为Detocs 的蛋白家族具有消耗ATP 的能力，而在此之前，人们甚至不知道这个蛋白家族属于免疫系统。这表明他们发现了一种新的免疫策略，存在于数百种不同的细菌中，并能使它们有效地抵御噬菌体。然而，这项新的研究并没有止步于细菌。研究人员进行的全面分析表明，更高级的生物如真菌、昆虫（比如蜜蜂）、珊瑚、海绵和许多其他生物也会产生具有免疫功能的ATP 切割蛋白。 虽然人类体内不存在这类免疫蛋白，但是他们认为，它们是构成人类先天免疫系统的蛋白的古老前身。

在过去几年中，许多研究都利用高级生物免疫系统的知识来揭示细菌使用的免疫策略。该新研究表明，积累的大量有关细菌免疫系统的知识使人们能够遵循相反的逻辑：可以通过研究细菌的免疫系统来了解高级生物的免疫系统。 ATP 分子是自然界中最广泛存在的分子之一，因此阐明它们在免疫中的作用可以极大地帮助人们了解无数生物在受到病毒攻击时所采用的防御策略。