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(2022-09-07 12:41:51)
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细菌的免疫传感器揭示一种来检测病毒的新颖方式
一项新的研究揭示细菌能以一种令人惊讶的优雅方式对抗病毒，这在更复杂的生命中没有已知的对应物。
August 29, 2022
Kristina Armitage/Quanta Magazine;Lee D. Simon/Science Source
波士顿儿童医院的免疫学研究员乔纳森·卡根说，“地球上所有的生命形式都有同样的问题，这就是应对感染”。就像我们担心细菌感染一样，细菌也在监视着感染它们的一种叫噬菌体的病毒，而且------就像跨生命王国的每个有机体一样------它们已经进化了一种分子工具武库来对抗感染。
像人类这样的大型、复杂的生物能挥霍巨大的特殊细胞的免疫系统检测或摧毁入侵者。更简单的生物体如植物和细菌往往需要依赖一套多任务蛋白质，为这两种工作配备了如瑞士军刀一样的。因为防御是这样一个普遍的关注，许多这些防御系统已经被进化过程保存并在包括人类在内的不同生物中共享就不足为奇了。
但本月发表在《科学》杂志上的一项新研究发现，在细菌和古细菌中的一个蛋白质家族、一种最古老的生命形式的简单的原核细胞以一种前所未见过的方式检测病毒。
像手套一样适合
因为基因测序和生物信息学技术中的进步，许多细菌使用的抗病毒防御仅在过去50年中已经开始来进入视野。但在过去的十年中由于利用细菌CRISPR-Cas9系统的强大的基因编辑工具它们中的兴趣已经膨胀。该工具的成功已经促使研究人员对细菌分子来怎样识别病毒并消灭病毒给出更多焦点。
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其中一些抗病毒防御如CRISPR-Cas9识别DNA中一种噬菌体注入它的宿主的特定序列。另一些不直接的感知病毒的片段但对病毒造成伤害的证据响应，比如损伤的DNA或故障的细胞过程------在一个碎开场景的破碎的玻璃的分子等价物。
但由麻省理工学院的张峰和美国国家生物技术信息中心的尤金·库宁领导的研究人员现在已经发现叫Avs蛋白的细菌免疫传感器不做这两件事。Avs蛋白能直接的检测由细胞的被劫持的机制制造的病毒蛋白。
对微生物蛋白质侦查是一种风险的策略：甚至少数突变能使一种蛋白质的氨基酸序列不可识别的，使一个病原体来躲避检测成为可能。人类和其他脊椎动物中的适应性免疫系统能追逐病毒蛋白质，因为它们能部署数十亿个专门化的细胞来进行搜索------一个对单个细菌不开放的选择。
然而张的研究小组发现了Avs蛋白并不被氨基酸序列中的微小变化困扰或就此事不被大的变化困扰。斯坦福大学的生物化学家也是论文的主要作者阿列克斯高说，“我们测试了24个不同的噬菌体，跨9个噬菌体家族”发现了“Avs的有几乎这种跨全面的激活”。
这是我第一次知道一个入侵者识别元素能识别出感染如此遥远生物体的病毒。罗特姆·索雷克，魏茨曼科学研究所（Rotem Sorek,
在不同病毒家族中的目标蛋白有几乎完全不同的氨基酸序列，但它们都执行相同的工作：将病毒DNA链屯起来并将它们打包成新形成的病毒颗粒。结果它们都保持了相同的功能形状。
研究团队意识到了Avs蛋白利用这种分子相似性。高解释说，这些蛋白质正在“识别三维折叠和形状而不是序列”。一种Avs蛋白“基本上像一个手套包在手上一样” 。他补充说，这种类型的3D结构识别“就我们所知在分子生物学中没有一整套很多先例”。
对这些病毒蛋白来逃脱Avs检测的唯一方法会是突变成一个不可识别的形状。库宁说，但 “在噬菌体中不用去稳定化这种蛋白质或否则损害它的功能来改变形状不是小事”。
Avs蛋白的灵活的、包裹着的识别技能并不被限制到发现感染细菌的病毒。库宁回忆说他开玩笑问高，是否Avs蛋白可以检测到动物疱疹病毒------在论文中测试的噬菌体的非常远亲。令他吃惊的是高回答说，“是的，我们已经这么做了！它们确实是这样做的” 。Avs蛋白识别了人类疱疹病毒中的DNA包装蛋白，尽管这种识别比细菌噬菌体更弱。
魏茨曼科学研究所的微生物基因学家罗特姆·索雷克说，“我第一次知道一种入侵者识别元素能够识别感染如此遥远的生物体的病毒”，他没有参与这项研究。
当Avs蛋白检测到病毒蛋白时，它们能以多种方式击出这些病毒------至少其中一些终结在细菌的自我毁灭中。细胞自杀作为一种防御可能似乎不直观的，但细菌往往生活在有很强基因相似性的菌群中。库宁说，通过摧毁它们自己，受感染的细胞能保护本质上是它们双胞胎的邻居，这作为一种进化策略“有完美意义的”。
此外，到病毒蛋白质在一种细菌体中变得对Avs防御明显时病毒已经正在组装它自己的副本，并将很快爆发出被感染的细胞。在那一点上，索雷克说“无论如何噬菌体不能逃脱死亡。”
微小的老师
在他们的在细菌和古细菌中其他免疫防御的研究中，研究人员已经揭开了对那些在更复杂的人类和其他生物体中的真核细胞的惊人相似。以这些形式和功能中的基因相似性足够接近来提出我们真核生物直接的从我们的原核祖先继承了我们的一些防御。
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我们是否继承了任何Avs蛋白的东西还有待观察。虽然少数人类先天免疫传感器识别特定的病原体蛋白，但目前工作在我们的先天免疫传感器上还没有发现任何类似于蛋白质形状识别的东西。Avs蛋白与某些真核生物的防御分子有一些有趣的结构相似性，但这种相似性可能是一个趋同进化的产物和模式识别作为一种防御策略的力量。高说，“大自然可能刚好真的喜欢制造这些免疫传感器，因为它工作真的好的” 。
鉴于蛋白质形状识别对细菌和古细菌工作的多好，我们可能会预计某些像Avs蛋白一样的东西最终在真核生物中折腾出来。卡根认为如果没有另外东西的话，这一发现可能激发研究作为先天免疫反应目标的蛋白质的兴趣。
卡根说，细菌“没有停止教导我们，它们教了我们关于DNA复制，它们教了我们关于DNA修复，它们教了我们关于细胞分裂，现在它们能教我们关于免疫学” 。
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