一度被遗忘的细胞结构:细菌对抗病毒机制的重新发现

细菌作为一种相对简单的原核生物，在漫长的进化过程中衍生出一系列对抗病毒入侵的免疫策略，研究这些策略给研究人员带来意外的收获，比如CRISPR已经成为最热的基因编辑技术。新亚利桑那大学领导的一项研究揭示了细菌对抗病毒的一种策略的结构和功能：由高度组织化的酶组成的队伍来提供快速的免疫反应，能够迅速切碎病毒入侵者的有害DNA。

　　新亚利桑那大学领导的一项研究揭示了细菌对抗病毒的一种策略的结构和功能：由高度组织化的酶组成的队伍来提供快速的免疫反应，能够迅速切碎病毒入侵者的有害DNA。

分子和细胞生物学副教授Nancy Horton表示：“这是所谓"世界上最古老的战争"的一部分。。。这场战争无处不在，从海洋到土壤，再到我们自己的肠道。”

酶是活细胞中可加速化学反应的蛋白质。某些酶可以呈现多种形状——每种具有不同的功能，并且能在它们之间切换。在这种情况下，SgrAI酶的一种特定的形状会缓慢切割侵入性DNA。但是，当许多此类酶连接并环绕在一定长度的DNA时，它们会形成一条纤丝，将DNA切割能力提高200倍。

Horton说：“ SgrAI酶含有两个金属原子，它们必须将它们直接放在要切割DNA的位置旁边。。。非纤丝形式的酶结构将两个金属原子之一置于错误的位置。在纤丝结构中，我们看到了酶形状的变化，将那个原子推到正确的位置。”

快速的免疫反应非常重要，因为攻击细菌的病毒（称为噬菌体）会在向细菌细胞注入自身遗传物质之前附着在细菌细胞外部。进入细菌后，噬菌体会劫持细菌的复制机制以复制自身。最终，新合成的病毒从被攻陷的细胞中爆发，再感染其他细菌。

“这确实是基础研究。必须先了解事物的工作原理。还有许多其他医学上重要的酶都在使用这种机制。当它们不起作用时，它们与癌症，自身免疫性疾病，糖尿病等有关。 -这是细胞生物学的基础。”

Horton对能形成纤丝的酶有着更大研究兴趣，这些发现是其中的一部分。

寻找纤丝

纤丝是大约50年前首次发现的。在1960年代，研究人员使用电镜——能将电子从其被测物体上反弹出来而揭示更多比可见光波长更小的细节。但是随后出现了X射线晶体学技术（该技术导致发现了DNA的结构），并使研究人员能够获得更高分辨率的图像。 X射线晶体学在随后的几十年里占领了实验室，而纤丝由于未形成可检测的晶体结构而未被发现。

直到2010年左右，纤丝才被人们重新关注，包括Horton实验室在内的世界上少数实验室开始使用新型的高分辨率电子显微镜再次研究细胞结构。

Horton说：“当我的实验室在2010年首次发表有关纤丝存在的论文时，我遇到了很多阻力。” “在发现这个问题的那段时间，我注意到其他一些实验室也发现了它。回顾科学文献之后，我意识到这是几十年前发现的，但是我们却忘记了。这就是为什么我称其为复兴——这是一个重新发现。但我们不知道纤丝形成的原因和方式。因此，我们最近所做的工作是研究纤丝形成的原因，它们的优势以及用途。”

本月，Horton在《Nature Reviews Molecular and Cellular Biology》上发表了关于纤丝发现的回顾，她将它们识别为同一现象。

她现在是新兴的酶纤丝化领域的领导者。她正在研究SgrAI和磷酸果糖激酶（一种称为PFK的人类代谢酶）的纤丝形成的结构和机制，以了解纤丝形成对酶活性调节的益处。