原核生物能够学习识别噬菌体

吨通常用于基因组编辑的CRISPR技术最初是基于细菌防御机制，这种机制是为了防止噬菌体而产生的，尽管它们的激活模式在很大程度上避开了科学家。在了解这一现象的过程中，来自麻省理工学院和哈佛大学布罗德研究所以及麦戈文脑研究所的研究人员在噬菌体中发现了两种蛋白质，即感染细菌的病毒，它们可以激活细菌和古细菌的免疫防御系统。该团队于8月12日在《科学》杂志上发表了他们的报告。

这项研究是2020年一项同样发表在《科学》杂志上的研究的后续研究，在这项研究中，研究人员确定了数千种可以抵御噬菌体的细菌免疫防御基因。这两篇论文均由斯坦福大学生物化学家AlexGao领导，他是哈佛研究员协会初级研究员时的合著者。他告诉TheScientist，他和他的同事对原核基因结构与人类“先天免疫模式识别受体”的相似性很感兴趣。

在真核生物中，免疫受体对身体防御至关重要。这些存在于先天免疫系统中的受体可识别常见病原体并激活白细胞以将其击退。研究人员想知道真核和原核先天免疫系统之间的形态相似性是否延伸到它们的功能，以及它们被激活的分子机制。因此，他们筛选噬菌体以识别触发细菌免疫反应的组成部分。

高和他的团队从PhiV-1大肠杆菌(一种专门感染大肠菌的噬菌体)的克隆基因组片段中设计了两组大肠杆菌——一组含有某些免疫基因，另一组不含这些基因，以研究大肠杆菌在感染了病毒。

研究人员想知道病毒感染如何在原核生物防御系统中激活抗病毒STANDs(Avs)——检测病毒的细菌蛋白，以及病毒中是否有特定的触发分子负责这种活动。他们假设Avs蛋白与抗病毒触发器的共表达会导致相关病毒基因的删除，并最终导致病毒死亡。考虑到这一点，该团队对该病毒的基因组进行了测序，发现两个基因，即编码大末端酶亚基和门静脉蛋白的基因，被原核Avs蛋白靶向并去除了。

大末端酶亚基和门蛋白是分别位于噬菌体头部和尾部区域的生物马达，有助于将噬菌体的DNA转移到宿主体内。这些成分统称为标志蛋白。该团队发现，当共表达时，Avs蛋白专门针对并剔除这两个基因，导致噬菌体死亡。然后他们对24种其他类型的噬菌体重复了该过程，发现大肠杆菌对每种噬菌体都发起了相同的免疫反应。

“防御基因用途极为广泛;他们不仅可以从一种病毒中识别出相应的入口蛋白和末端酶蛋白，还可以从大量不同的病毒中识别出来，”Gao说。“这表明它们不是单独的传感器，而是可以识别目标蛋白质的相同三维折叠的模式识别受体。”

为了全面了解免疫激活的确切机制，研究人员使用低温电子成像分析了Avs和噬菌体蛋白的3D结构。他们的分析表明，Avs蛋白可直接检测标志蛋白的结构特征。它还表明它们的生物结构相互对应，表明蛋白质在激活前聚集在一起在细菌内形成四聚体。

“越来越清楚的是，细菌必须抵御病毒的所有这些系统似乎与它们的真核对应物有很多相似之处，”在欧洲分子生物学实验室研究细菌和噬菌体免疫系统的JacobBobonis说。不是这项研究的一部分。

Bobonis说这是一个“非常重要的新兴领域”，因为了解“细菌和病毒如何相互交流”可以帮助设计针对特定病原菌的治疗性病毒。