细菌与真核生物的免疫“同源”：病毒防御的古老联系

在生物进化的漫长历程中，细菌和真核生物（如动物和植物）沿着不同的路径发展出了各自的复杂生命系统。

2024年8月14日，《Cell Host & Microbe》杂志发表了一项突破性研究，科学家们在铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）中发现了多个与真核生物抗病毒免疫系统相似的细菌防御机制。这些机制不仅在功能上与真核生物的免疫反应类似，甚至在分子水平上也显示出高度的同源性。这一发现表明，尽管细菌和真核生物在进化上相距甚远，但它们在面对病毒入侵时，却演化出了相似的防御策略。

研究团队通过系统性地分析铜绿假单胞菌的基因组，寻找与脊椎动物和植物抗病毒基因相似的序列。他们发现超过450个候选基因簇，这些基因簇与已知的抗病毒防御系统密切相关。通过对其中11个候选系统的实验验证，科学家们成功确认了6种具有强大抗噬菌体活性的防御系统。这些系统包括Hermes、Prometheus、Erebus、Hypnos、6A-MBL和Thoeris III，它们分别对应于真核生物中的不同抗病毒机制。

其中，Hermes系统与真核生物中的肌醇单磷酸酶（IMPase）类似，通过改变细胞表面结构来阻止噬菌体的吸附。Prometheus则类似于人类的DNA2酶，能够识别并干扰噬菌体在转录过程中形成的R-loop结构。Erebus和Hypnos系统则含有NACHT结构域，与真核生物的炎症体成分相似，可能通过激活下游效应子来抵御噬菌体。6A-MBL系统包含一个类似泛素化途径的E1-E2-JAB融合蛋白，可能通过激活金属β-内酰胺酶折叠蛋白（MBL-fold）来发挥抗噬菌体作用。而Thoeris III系统则扩展了TIR结构域抗病毒家族，其核心蛋白ThcA和ThcB4可能通过复杂的信号传导激活下游的核酸酶效应子。

这些发现不仅揭示了细菌和真核生物在抗病毒防御上的共同进化根源，还表明这些防御机制在不同生物域之间具有高度的保守性。这种保守性可能源于它们共同的古老祖先，这些祖先在面对病毒入侵时演化出了有效的防御策略，这些策略随后在不同生物域中被保留和优化。

这一研究的意义远不止于理论层面。随着对这些细菌抗病毒系统的深入了解，科学家们有望开发出新的生物技术工具。例如，CRISPR-Cas系统的发现彻底改变了基因编辑领域，而这些新发现的抗病毒系统也可能具有类似的潜力。它们可以被开发为新型的抗病毒药物，或者用于设计更高效的基因治疗载体。

此外，这些发现还为理解人类免疫系统的起源提供了新的线索。真核生物的免疫系统复杂而精细，其许多关键组分可能起源于古老的细菌防御机制。通过研究这些细菌系统，科学家们可以更好地理解免疫反应的基本原理，以及它们是如何在进化过程中被塑造的。

总之，这项研究不仅揭示了细菌和真核生物在抗病毒防御上的深刻联系，还为未来的生物医学研究和应用提供了新的方向。随着科学家们继续探索这些古老防御系统的奥秘，我们有望见证更多突破性的发现，这些发现将深刻改变我们对生命和健康的理解。

参考文献：

Van den Berg, D. F., Costa, A. R., Esser, J. Q., et al. (2024). Bacterial homologs of innate eukaryotic antiviral defenses with anti-phage activity highlight shared evolutionary roots of viral defenses. Cell Host & Microbe, 32(8), 1427–1443. https://doi.org/10.1016/j.chom.2024.07.007