以下是麻省理工学院和哈佛大学Broad研究所今天发布的新闻稿。

细菌使用各种防御策略来对抗病毒感染，其中一些系统已经导致了突破性的技术，如基于CRISPR的基因编辑。科学家预测，在微生物世界中还有更多的抗病毒武器有待发现。

由麻省理工学院Broad研究所、哈佛大学和麻省理工学院麦戈文大脑研究所的研究人员领导的一个团队已经发现并描述了这些未开发的微生物防御系统之一。他们发现，细菌和古细菌(合称为原核生物)中的某些蛋白质以令人惊讶的直接方式检测病毒，识别病毒的关键部分，并导致单细胞生物自杀，以平息微生物群落中的感染。这项研究首次在原核生物中发现了这一机制，并表明横跨所有三个生命领域的生物——细菌、古菌和真核生物(包括植物和动物)——使用保守病毒蛋白的模式识别来防御病原体。

这项研究发表在《Science》杂志上。

“这项工作展示了模式识别如何在不同的生物体中发生的惊人的统一，”资深作者张锋说。“在一项研究中整合遗传学、生物信息学、生物化学和结构生物学方法来理解这个迷人的分子系统是非常令人兴奋的。”

微生物军械库

在早些时候的一项研究中，研究人员扫描了数十万细菌和古细菌的DNA序列数据，发现了数千个基因具有微生物防御的特征。在新的研究中，他们锁定了一些编码酶的基因，这些酶是STAND ATPase家族蛋白的成员，在真核生物中参与先天免疫反应。

在人类和植物中，STAND ATPase蛋白通过识别病原体本身或细胞对感染的反应模式来对抗感染。在这项新的研究中，研究人员想知道这些蛋白质在原核生物中是否以同样的方式来防御感染。研究小组从早期的研究中选择了一些STANDATPase基因，将它们传递到细菌细胞中，并用噬菌体病毒攻击这些细胞。这些细胞经历了戏剧性的防御反应并存活了下来。

接下来，科学家们想知道是噬菌体的哪一部分触发了这种反应，所以他们将病毒基因一次传递给细菌一个。两种病毒蛋白质引发了免疫反应:一种是入口，它是病毒衣壳的一部分，含有病毒DNA;另一种是终止酶，它是通过将病毒DNA推入衣壳来帮助组装病毒的分子马达。每一种病毒蛋白都激活不同的STAND ATPase来保护细胞。

这一发现是惊人的，也是前所未有的。大多数已知的细菌防御系统是通过感知病毒DNA或RNA，或感染引起的细胞应激来工作的。相反，这些细菌蛋白质直接感知病毒的关键部分。接下来，该团队展示了细菌的STAND ATPase蛋白可以识别来自不同噬菌体的不同门户和终止酶蛋白。“令人惊讶的是，细菌有这些高度通用的传感器，可以识别它们可能遇到的各种不同的噬菌体威胁，”第一作者之一、哈佛大学研究员协会(Harvard Society of Fellows)的初级研究员、张锋实验室的前研究生Linyi Gao说。

科学家们还发现，这些蛋白质具有DNA内切酶的功能，可以切断细菌自身的DNA，杀死细胞，从而限制病毒的进一步传播。在人类中，类似地，STAND ATPase通过诱导受感染细胞的程序性死亡来应对细菌感染。“看到原核生物与我们体内的系统之间的联系，这是非常令人兴奋的，”第一作者之一、张锋实验室的博士后研究员Jonathan Strecker说。

结构分析

为了详细了解微生物STAND ATPase是如何检测病毒蛋白的，研究人员使用冷冻电子显微镜检查它们与病毒蛋白结合时的分子结构。“通过分析结构，我们能够精确地回答很多关于这些东西是如何工作的问题，”第一作者之一、张锋实验室的博士后研究员Max Wilkinson说。

研究小组发现，来自病毒的入口蛋白或终止酶蛋白嵌入到STANDATPase蛋白的一个口袋中，每个STAND ATPase蛋白抓住一个病毒蛋白。STANDATPase蛋白质然后聚集在一起，形成四聚体，将细菌蛋白质的关键部分称为效应域。这会激活蛋白质的内切酶功能，粉碎细胞DNA并杀死细胞。

四聚体与来自其他噬菌体的病毒蛋白紧密结合，表明STAND ATPase能够感知病毒蛋白的三维形状，而不是它们的序列。这有助于解释一个STAND ATPase如何识别几十种不同的病毒蛋白质。Wilkinson说:“不管顺序如何，它们都像手套里的手一样合适。”

人类和植物中的STAND ATPase也通过形成多单位复合物来激活细胞中的特定功能。“这是这项工作最令人兴奋的部分，”Strecker说。“在生活的各个领域看到这一点是前所未有的。”