创新背景

细菌使用各种防御策略来对抗病毒感染，其中一些系统已经产生了突破性的技术，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。

创新过程

由麻省理工学院布罗德研究所、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发现并描述了细菌和古细菌等原核生物的防御机制。这项研究发表在《科学》杂志上。
他们发现，原核生物中的某些蛋白质能够感知病毒蛋白的三维形状，识别病毒的关键部分，并杀死细胞，以应对细菌感染。

微生物的防御系统

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。在这项新的研究中，他们锁定了一些编码酶的基因，这些酶是STAND atp酶家族蛋白的成员，在真核生物中参与先天免疫反应。

在人类和植物中，STAND atp酶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。于是研究小组从早期的研究中选择了一些STAND atp酶基因，将它们传递到细菌细胞中，并用噬菌体病毒攻击这些细胞。实验结果表明，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，所以他们一次传递给细菌一个病毒基因。

通过实验发现，噬菌体中的两种病毒蛋白质引发了细胞的免疫反应：一种是门户蛋白，它是病毒衣壳的一部分，含有病毒DNA；另一种是末端酶，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了细胞中不同的STAND atp酶。

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 atp酶蛋白可以识别来自不同噬菌体的不同门户蛋白和末端酶。

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来杀死细胞，从而限制病毒的进一步传播。同样，在人类中，STAND atp酶也会通过诱导受感染细胞的程序性死亡来应对细菌感染。

结构分析

为了详细了解微生物STAND atp酶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。

研究小组发现，病毒的门户蛋白或末端酶蛋白可以嵌入到STAND atp酶蛋白的囊中，每个STAND atp酶蛋白都会抓住一个病毒蛋白。STAND atp蛋白随后聚在一起，形成四聚体，将细菌蛋白中称为效应物的关键部分聚集在一起。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 atp酶能够感知病毒蛋白的三维结构，而不是它们的序列。这有助于解释一个STAND atp酶如何识别几十种不同的病毒蛋白质。

创新关键点

研究团队在本研究中整合了遗传学、生物信息学、生物化学和结构生物学的方法，发现了原核生物中的STAND atp酶蛋白能够直接感知病毒中的门户蛋白和末端酶，并通过切断细菌自身的DNA，杀死细胞，达到防御感染的效果。