推荐一篇发表在Science上的文章，其标题为“Mitochondria protect against an intracellular pathogen by restricting access to folate”。本文通讯作者是德国科隆马克斯·普朗克衰老生物学研究所的Lena Pernas教授，其课题组致力于通过细胞器和新陈代谢功能分析，对传染病的机制进行探索与分析。本文中，研究者通过核酸测序策略与定量蛋白质组学技术，成功揭示了细胞基于B族维生素叶酸的胞内寄生虫抵御机制。

作为细胞代谢产物的主要消耗者，线粒体随时准备与入侵微生物争夺其生长所需的营养物质。此前研究者发现，多种胞内病原体的生长依赖于宿主细胞中的一碳代谢下游产物，而宿主似乎能够通过被动或者主动的方式干扰病原体的生长以实现防御。然而，这一防御性进程的触发与调控机制并不清晰。

为了解决这一问题，本文中，作者对I型弓形虫感染的人ES-2卵巢癌细胞进行表征。研究者发现，在感染过程中，几种细胞的线粒体DNA拷贝数出现了显著上调。加入可掺入新生成DNA中的胸苷类似物5-乙炔基-2'-脱氧尿苷（EdU）后，他们发现，线粒体DNA拷贝数的升高，而细胞中其他DNA的拷贝数以及线粒体总体数量无明显变化。通过定量蛋白质组学技术，他们分析了感染前后细胞中的蛋白质丰度的变化情况。结果显示，激活转录因子4（ATF-4）水平相比于野生型细胞，升高了约16倍。作为整合应激反应（ISR）的主要效应因子，ATF4在敲除后，线粒体DNA的上调受到了显著抑制。由此可知，ATF4是感染期间细胞主动调控线粒体DNA的主要因子。

随后，一方面，研究者通过基因敲除策略，对于ATF4上游进行分析。结果显示，弓形虫的包括myr1在内的效应因子能够激活宿主细胞的真核翻译起始因子2α激酶1（HRI）通路，促进整合应激反应，进而上调ATF4的活性。另一方面，通过对ATF4靶基因的表达情况进行测序鉴定，研究者对ATF4下游机制进行了探索。ATF4在弓形虫感染过程中，调控参与一碳代谢线粒体分支的关键酶MTHFD2和SHMT2的活性。这两种酶可以以叶酸为辅因子，激活和转移一碳基团以合成核苷酸前体。通过生化验证，他们确定ATF4确实以线粒体一碳代谢依赖的方式增加mtDNA水平。进一步，通过引入氘代标记的一碳代谢上游代谢物丝氨酸，他们确定，ATF4具有在感染期间维持宿主线粒体一碳代谢功能的作用。具体来说，ATF4敲除后，感染期间的dTMP水平显著升高，而这些升高的dTMP来自于寄生虫本身。dTMP是弓形虫生长的限制因素，而激活后的ATF4可以重构线粒体代谢途径，进而隔离携带一碳结构的叶酸，由此实现弓形虫生长的抑制。这一抵御寄生虫的效应同样可以在小鼠活体模型中，得以有效复刻与验证，进一步证明了结果的可靠性。

综上，本文中作者通过核酸测序分析策略与定量蛋白质组学技术，成功阐明了ATF4作为在寄生虫侵染过程中的核心传导元件，可以通过重塑线粒体中以叶酸为核心的一碳代谢过程，主动让线粒体夺取寄生虫的营养资源，进而实现寄生虫的抵御。这些发现为探索感染期间叶酸代谢的作用，以及线粒体对抗细胞内病原体的非经典防御机制建立了研究框架，具有重要意义。

本文作者：KLH

责任编辑：LZ

DOI：10.1126/science.adr6326

原文链接：https://doi.org/10.1126/science.adr6326