推薦一篇發表在Science上的文章，其標題為“Mitochondria protect against an intracellular pathogen by restricting access to folate”。本文通訊作者是德國科隆馬克斯·普朗克衰老生物學研究所的Lena Pernas教授，其課題組致力于通過細胞器和新陳代謝功能分析，對傳染病的機制進行探索與分析。本文中，研究者通過核酸測序策略與定量蛋白質組學技術，成功揭示了細胞基于B族維生素葉酸的胞內寄生蟲抵御機制。

作為細胞代謝產物的主要消耗者，線粒體隨時準備與入侵微生物爭奪其生長所需的營養物質。此前研究者發現，多種胞內病原體的生長依賴于宿主細胞中的一碳代謝下游產物，而宿主似乎能夠通過被動或者主動的方式干擾病原體的生長以實現防御。然而，這一防御性進程的觸發與調控機制并不清晰。

為了解決這一問題，本文中，作者對I型弓形蟲感染的人ES-2卵巢癌細胞進行表征。研究者發現，在感染過程中，幾種細胞的線粒體DNA拷貝數出現了顯著上調。加入可摻入新生成DNA中的胸苷類似物5-乙炔基-2'-脫氧尿苷（EdU）后，他們發現，線粒體DNA拷貝數的升高，而細胞中其他DNA的拷貝數以及線粒體總體數量無明顯變化。通過定量蛋白質組學技術，他們分析了感染前后細胞中的蛋白質豐度的變化情況。結果顯示，激活轉錄因子4（ATF-4）水平相比于野生型細胞，升高了約16倍。作為整合應激反應（ISR）的主要效應因子，ATF4在敲除后，線粒體DNA的上調受到了顯著抑制。由此可知，ATF4是感染期間細胞主動調控線粒體DNA的主要因子。

隨后，一方面，研究者通過基因敲除策略，對于ATF4上游進行分析。結果顯示，弓形蟲的包括myr1在內的效應因子能夠激活宿主細胞的真核翻譯起始因子2α激酶1（HRI）通路，促進整合應激反應，進而上調ATF4的活性。另一方面，通過對ATF4靶基因的表達情況進行測序鑒定，研究者對ATF4下游機制進行了探索。ATF4在弓形蟲感染過程中，調控參與一碳代謝線粒體分支的關鍵酶MTHFD2和SHMT2的活性。這兩種酶可以以葉酸為輔因子，激活和轉移一碳基團以合成核苷酸前體。通過生化驗證，他們確定ATF4確實以線粒體一碳代謝依賴的方式增加mtDNA水平。進一步，通過引入氘代標記的一碳代謝上游代謝物絲氨酸，他們確定，ATF4具有在感染期間維持宿主線粒體一碳代謝功能的作用。具體來說，ATF4敲除后，感染期間的dTMP水平顯著升高，而這些升高的dTMP來自于寄生蟲本身。dTMP是弓形蟲生長的限制因素，而激活后的ATF4可以重構線粒體代謝途徑，進而隔離攜帶一碳結構的葉酸，由此實現弓形蟲生長的抑制。這一抵御寄生蟲的效應同樣可以在小鼠活體模型中，得以有效復刻與驗證，進一步證明了結果的可靠性。

綜上，本文中作者通過核酸測序分析策略與定量蛋白質組學技術，成功闡明了ATF4作為在寄生蟲侵染過程中的核心傳導元件，可以通過重塑線粒體中以葉酸為核心的一碳代謝過程，主動讓線粒體奪取寄生蟲的營養資源，進而實現寄生蟲的抵御。這些發現為探索感染期間葉酸代謝的作用，以及線粒體對抗細胞內病原體的非經典防御機制建立了研究框架，具有重要意義。

本文作者：KLH

責任編輯：LZ

DOI：10.1126/science.adr6326

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