Science:人类免疫系统中惊现有10亿年历史的蛋白质家族

【字体: 时间:2022年01月17日 来源:Science

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  达纳-法伯癌症研究所(Dana-Farber Cancer Institute)和以色列的科学家发现,人类的免疫系统具有惊人的复杂性、微妙性和复杂性,其中包括一个有10亿年历史的蛋白质家族,细菌利用这些蛋白质来保护自己免受病毒的侵袭。

  

达纳-法伯癌症研究所(Dana-Farber Cancer Institute)和以色列的科学家发现,人类的免疫系统具有惊人的复杂性、微妙性和复杂性,其中包括一个有10亿年历史的蛋白质家族,细菌利用这些蛋白质来保护自己免受病毒的侵袭。

发表在《科学》(Science)杂志网络版上的这一发现,是越来越多证据表明,我们的免疫系统的组成部分——与地球上存在的抵御疾病的高级屏障一样——在远古生命形式早期就进化了的最新发现。这项研究表明,免疫系统吸收了已经存在的元素,并在漫长的进化过程中,以新的方式使用它们,以满足像人类这样生物复杂的生物的需求。

该研究的高级作者,Dana-Farber的Philip Kranzusch博士说:“世界各地的研究人员已经做了大量的工作来了解人类免疫系统是如何工作的。人类免疫的关键部分在细菌中共享的这一发现为这一领域的研究提供了新的蓝图。”

这项研究的中心蛋白质被称为gasdermin。当细胞被感染或癌变时,gasdermins 会形成孔,在其细胞膜上打孔,导致细胞死亡。被称为炎性细胞因子的物质从这些孔中渗出,发出感染或癌症存在的信号,并促使免疫系统恢复到身体的防御能力。

这个过程被称为细胞焦亡,是免疫系统杀死患病或感染细胞的一个手段。它补充了众所周知的细胞凋亡过程,即受损或受感染的细胞在受损后会自我毁灭。这项新研究的共同第一作者、Dana-Farber的Alex Johnson博士说:“焦亡是先天免疫系统(人体对抗病原体的第一道防线)对潜在威胁做出反应的最快方式之一。”

人类基因组拥有6种gasdermin蛋白的编码,它们在不同的细胞类型中以不同的水平表达。在目前的研究中,Johnson和他的同事探索了这些蛋白质的祖先是否存在于细菌中。

之前的研究得出了相关的结论。2019年,Kranzusch和他的同事发现,一种名为cGAS-STING的人类免疫信号通路起源于细菌,它可以感知与癌症和感染有关的异常。“这一发现和其他发现促使我们去寻找人类细胞和细菌细胞中免疫相关蛋白之间的额外联系,”Kranzusch说。

共同第一作者Tanita Wein博士,共同高级作者Rotem Sorek博士,以及以色列魏茨曼科学研究所的同事,分析了被称为“抗噬菌体防御岛(antiphage defense islands,生物通注)”的细菌DNA片段,因为它们包含了保护细菌免受噬菌体病毒感染的基因簇。他们确定了50个细菌基因,预计这些基因将产生结构与哺乳动物的gasdermin蛋白相似的蛋白质。

“我用x射线晶体学确定了这些蛋白质的一系列结构,在原子细节上证实了它们与哺乳动物的结构相似,”携带这些蛋白质的细菌种类分布广泛,生活在土壤、树叶和其他自然栖息地。(研究中研究得最多的一种细菌最初是在威斯康星州的一种玉米上发现的。)

结构研究表明,虽然人类和细菌的gasdermin在结构上是相似的,但细菌版本的体积往往只有人类的一半大,但它们充当了比人类更大的膜孔的组成部分。所有这些gasdermin都是由类似的机制激活的,但它们引发的一系列事件在人类细胞中更为广泛。在细菌细胞中,病毒感染可能触发细胞因细胞膜穿孔而死亡,从而阻止病毒的活动。在人类细胞中,一个被感染细胞的死亡会引发一系列的事件,这些事件会导致免疫系统的其他因素对感染产生影响。

Kranzusch说:“这是一种非常原始的防御形式的一个例子,在人类中,它已经通过调节系统进行了调整和扩展,使我们的身体能够对感染或癌症作出反应。”

在惊人复杂的人类免疫系统中,发现了一种原始免疫形式的痕迹,这有助于研究人员更好地理解该系统是如何形成的。“看到最简单的机器版本,可以让你对机器整体的理解达到一个新的水平,同样的原理也适用于免疫系统的研究。”

(生物通)


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