Cell：重大进展！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

每当我们拨打电话、发送短信或观看视频时，手机电池中储存的部分能量就会耗尽。活细胞也以“货币”的形式储存能量，以便在需要时兑现，为生命过程提供动力。地球上所有生物的主要能量货币是一种名为三磷酸腺苷（ATP）的分子。

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。在一项新的研究中，来自以色列魏茨曼科学研究所的研究人员描述了一种新的蛋白家族，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。他们发现这种以前未知的免疫机制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。相关研究结果发表在2023年8月17日的Cell期刊上，论文标题为“A conserved family of immune effectors cleaves cellular ATP upon viral infection”。

细菌在与噬菌体（攻击细菌的病毒）的英勇战斗中使用了 100 多种复杂的机制，这种新发现的策略是其中最新的一种。这些机制中的许多种都是在魏茨曼科学研究所分子遗传学系的 Rotem Sorek 教授的实验室中发现和描述的。

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，这些作者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。

图片来自Cell, 2023, doi:10.1016/j.cell.2023.07.020。

Sorek实验室研究员François Rousset博士说，“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。”

这些作者还发现，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，发现了 1000 多个以类似方式起作用的免疫基因。

此外，这些作者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，它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。这些作者进行的全面分析表明，更高级的生物---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。

Sorek说，“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。我们的新研究表明，积累的大量有关细菌免疫系统的知识使我们能够遵循相反的逻辑---我们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我们了解无数生物在受到病毒攻击时所采用的防御策略。”（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

1. François Rousset et al. A conserved family of immune effectors cleaves cellular ATP upon viral infection. Cell, 2023, doi:10.1016/j.cell.2023.07.020.

2. Surviving on an Empty Battery
https://wis-wander.weizmann.ac.il/life-sciences/surviving-empty-battery