新发现的细菌自我防御武器采用不同方法来实现相同目标：防止病毒在细菌群体中传播。
地球上的每一种生物都需要保护自己免受有害事物的侵害。细菌也不例外。尽管它们相对简单，但它们对病毒入侵者展开了令人惊讶的聪明防御策略。最著名的是CRISPR-Cas9，已被改编为人类使用的首个FDA批准的基因编辑技术。
在过去一年中，洛克菲勒大学细菌学实验室的研究人员，由卢西亚诺·马拉菲尼领导，以及MSKCC结构生物学实验室的研究人员，由丁肖·帕特尔领导，正在研究一些CRISPR系统的关键免疫成分，称为CARF效应子。这些新发现的武器采取不同的方法来实现相同的目标：停止细胞活动，从而防止病毒在其他细菌群体中传播。
在最近发表在Science上的一篇论文中，科学家们宣布他们发现的最新CARF效应子，命名为Cat1。由于其异常复杂的分子结构，这种蛋白质能够耗尽细胞功能所必需的代谢物。没有了燃料，病毒入侵者进一步进攻的计划被阻止。
“我们实验室的集体工作揭示了这些CARF效应子的有效性和差异，”马拉菲尼说。“它们的分子活动范围非常惊人。”
多重防御系统
CRISPR是细菌和其他某些单细胞生物适应性免疫系统中的一种机制，提供对病毒（称为噬菌体）的保护。六种类型的CRISPR系统工作原理大致相同：CRISPR RNA识别外来基因代码，这触发cas酶介导免疫反应，通常剪切入侵者材料。
但越来越多的证据表明，CRISPR系统除了基因剪刀外还部署了多种防御策略。马拉菲尼实验室在这方面的研究处于领先地位。特别是，他们一直在研究CRISPR-Cas10系统中一种称为CARF效应子的分子类，这些蛋白质在细菌被噬菌体感染时被激活。
CARF效应子免疫被认为通过创造一个对病毒复制不利的环境来发挥作用。例如，Cam1 CARF效应子导致被感染细胞的膜去极化，而Cad1则触发一种分子熏蒸，向被感染的细胞注入有毒分子。
代谢冻结
对于当前研究，研究人员希望尝试识别更多的CARF效应子。他们使用Foldseek，一个强大的结构同源搜索工具，找到了Cat1。
他们发现Cat1通过称为环形四腺苷酸的次级信使分子结合来警觉病毒的存在，这些分子刺激酶切割细胞中一种称为NAD+的必需代谢物。
“一旦NAD+被切割到足够的量，细胞会进入生长停滞状态，”共同第一作者、马拉菲尼实验室的TPCB研究生克里斯蒂安·巴卡说。“随着细胞功能暂停，噬菌体再也无法繁殖并传播到其他细菌群体。通过这种方式，Cat1与Cam1和Cad1相似，它们都提供种群水平的细菌免疫。”
独特复杂性
但尽管其免疫策略可能与其他CARF效应子相似，其形态却并非如此，正如共同第一作者、帕特尔实验室的博士后研究学者普贾·马朱姆德通过详细的结构分析所揭示的。
她发现Cat1蛋白具有异常复杂的结构，其中Cat1二聚体通过cA4信号分子粘合，在病毒感染时形成长丝，捕获NAD+代谢物于粘性分子口袋中。“一旦Cat1丝切割NAD+代谢物，它就无法被细胞利用，”马朱姆德解释说。
但该蛋白独特的结构复杂性并不止于此，她补充道。“这些丝相互作用形成三角螺旋束，这些束可以扩展形成五角螺旋束，”她说。这些结构组件的目的仍需进一步研究。
同样不寻常的是，Cat1似乎常常独自工作。“通常在III型CRISPR系统中，有两种活动对免疫效应作出贡献，”巴卡说。“然而，大多数编码Cat1的细菌似乎主要依赖Cat1来实现其免疫效应。”
马拉菲尼表示，这些发现提出了有趣的新问题。“虽然我认为我们已经证明了整体情况——CARF效应子在防止噬菌体复制方面非常出色——但是我们仍然有很多事情要学习，关于它们如何实现这一点的细节。看到这项工作将我们引向何处将是非常令人着迷的。”
