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Nature | 颠覆认知！人体细胞竟自带“抗生素工厂” ：蛋白酶体改写免疫防御规则

生物探索

2025-03-06 16:35发布于江苏科学领域创作者

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AI划重点 · 全文约2687字，阅读需8分钟

1.《Nature》杂志的研究报道揭示，人体细胞内的蛋白酶体是一种隐藏的抗生素制造工厂，具有抗菌潜力。

2.研究发现，人类基因组中92%的基因都能产生具有阳离子特性的防御肽，这些肽段具有广谱抗菌效果。

3.当细菌入侵时，蛋白酶体会启动"战时模式"，通过重组结构产生强效杀菌肽段，其杀伤效率堪比临床抗生素。

4.动物实验显示，合成肽段能让致命感染的存活率提升3.6倍，且细菌极难对其产生耐药性。

5.这项发现为开发永不失效的物理抗菌剂指明方向，有望为全球抗生素耐药危机带来终极解决方案。

以上内容由腾讯混元大模型生成，仅供参考

引言

在我们与病原体持续数百万年的军备竞赛中，我们可能始终握着一张从未察觉的王牌。3月5日《Nature》杂志的研究报道“Cell-autonomous innate immunity by proteasome-derived defence peptides”，揭示：人体细胞内默默运转的"蛋白质碎纸机"——蛋白酶体（proteasome），竟是一个隐藏的抗生素制造工厂！这项突破性发现，不仅改写了免疫学教科书，更可能为全球抗生素耐药危机带来终极解决方案。

传统认知中，蛋白酶体仅仅是分解废旧蛋白质的"回收站"，其产物主要用于抗原呈递。但研究人员通过人工智能分析3400万个人类蛋白质碎片，发现其中270,872个片段具有抗菌潜力——这相当于每个细胞都携带了一本"抗生素配方大全"。更惊人的是，当细菌入侵时，这些细胞器会立即启动"战时模式"：通过重组结构产生强效杀菌肽段，其杀伤效率堪比临床抗生素。动物实验显示，合成肽段能让致命感染的存活率提升3.6倍，且细菌极难对其产生耐药性。

这项发现解开了困扰学界30年的谜题：为何免疫缺陷患者仍能抵抗部分感染？答案就藏在每天被我们分解的200克蛋白质中——其中2.4克悄然转化为天然抗生素。当全球因耐药菌每年死亡70万人之际，这项研究不仅揭示了生命最精妙的防御智慧，更为开发永不失效的物理抗菌剂指明方向。你体内流淌的，或许正是破解后抗生素时代的终极密码。

碎纸机变身武器库：蛋白酶体的双重身份大揭秘

在细胞深处，直径仅11纳米的蛋白酶体（proteasome）如同精密运转的碎纸机，每天分解着数以万计的蛋白质。过去三十年，科学界一直认为它的核心使命就是为MHC-I类分子递送抗原片段，启动T细胞免疫应答。但这项研究彻底颠覆了传统认知——这些被"粉碎"的蛋白质碎片中，竟隐藏着对抗细菌的致命武器。

研究团队通过计算机模拟人类蛋白质组的蛋白酶体切割位点，发现了一个惊人的数字：人类基因组中92%的基因都能产生具有阳离子特性的防御肽（proteasome-derived defence peptides, PDDPs）。这些平均长度15-30个氨基酸的分子碎片，就像自然界最精妙的分子剪刀，能精准破坏细菌细胞膜。

更令人震撼的是，每个蛋白酶体每分钟可产生数百万个肽段。在正常生理状态下，约1.2%的降解产物（即34亿个潜在肽段中的412万个）具有抗菌活性。这相当于每个细胞都装备着微型抗生素生产线，持续制造广谱抗菌武器。

从实验室到活体实验：合成肽的杀菌威力

为了验证理论预测，研究人员从5万多个蛋白酶体降解肽段中筛选出10个高评分候选分子。其中PPP1CB蛋白来源的肽段（序列：GRKRKQLVKRAKAKTRNE）展现出惊人效果：

在体外实验中：

对铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）的最低杀菌浓度（MBC）仅8μg/ml

与临床常用抗生素托布霉素（tobramycin）联用时，杀菌效果提升3.2倍

30分钟内可使90%的耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）膜破裂

动物实验结果更令人振奋：

肺炎模型小鼠静脉注射5mg/kg剂量，肺组织细菌载量降低4个数量级（P<0.0001）

败血症模型中，治疗组存活率从20%提升至73%（P<0.0001）

病理切片显示，肽段治疗显著减少多器官炎症浸润（损伤评分下降67%）

这些合成肽不仅对革兰氏阳性/阴性菌有效，更关键的是其作用机制——通过阳离子与细菌膜磷脂结合形成孔洞，这种物理破坏方式使细菌难以产生耐药性。透射电镜图像清晰显示，处理后的细菌呈现特征性膜破裂和胞质外溢。

细胞的自卫反击战：感染如何激活隐藏武器

当沙门氏菌（Salmonella enterica）入侵细胞时，一场精妙的分子改造随即展开。研究人员通过质谱分析发现：

感染1小时后，蛋白酶体β2亚基的胰蛋白酶样（tryptic-like）活性提升74%

带正电荷的C端肽段（赖氨酸/精氨酸）比例从17%激增至35%

同时，调控亚基PSME3的结合量增加3.8倍（P=0.0012）

这种"战时改造"使抗菌肽产量翻倍。通过基因敲除实验证实，PSME3缺失细胞对细菌感染的抵抗力下降81%（P=0.0006）。这种快速响应机制独立于NF-κB通路，形成了先于适应性免疫的"细胞自主防御系统"。

人体内的"变形金刚"：蛋白酶体的智能切换

正常状态下，蛋白酶体主要产生疏水性肽段用于抗原呈递。但在病原体入侵时，它会像变形金刚般重组结构：

PSME3调控帽结合，打开20S核心颗粒的α环

β2催化口袋构象改变，增强对碱性残基的切割偏好

生成肽段的平均净电荷从+1.3升至+3.8

这种智能切换在进化上极为保守。研究发现，即使在没有适应性免疫系统的无脊椎动物中，蛋白酶体同样具备抗菌肽生成功能。这提示我们可能发现了一个比抗体更古老的防御体系。

从垃圾到黄金：蛋白质回收的医学革命

传统观点认为，蛋白质降解是单纯的废物处理。但这项研究揭示了一个精妙的资源循环：

核糖体合成功能蛋白

完成使命后被泛素化标记

蛋白酶体切割产生功能肽段

抗菌肽通过未知通道分泌至胞外

以组蛋白H3为例，其降解产生的histatin3肽段（序列：DSHAKRHHGYKR）在唾液中浓度达0.5-1.2mg/ml，这正是口腔第一道防线的物质基础。类似的，凝血酶抑制剂serpinA1的降解产物被发现具有抗真菌活性。

这种"变废为宝"的机制，使人体每天可回收利用约200克蛋白质，其中约2.4克转化为抗菌肽——相当于每天自主生产数亿剂"天然抗生素"。

破解耐药困局：新一代抗生素的曙光

面对全球每年70万人死于耐药菌的严峻形势，PDDPs展现出独特优势：

广谱性：单个肽段可同时对抗8种ESKAPE病原体

低毒性：治疗浓度下对哺乳细胞膜完整性无影响（PI染色阴性）

抗耐药：物理破膜机制使耐药突变率降低1000倍

协同性：5种肽段联用可使杀菌效果提升8.3倍

研究团队正在建立PDDPs数据库，包含27万种潜在抗菌序列。通过人工智能预测，89%的已知耐药菌存在PDDPs敏感靶点。首款基于PPP1CB肽段的吸入剂未来也将进入临床前试验，主要针对囊性纤维化患者的铜绿假单胞菌感染。

未来已来：改写医学史的生物暗物质

这项发现带来的启示远超预期：

重新定义先天免疫：蛋白酶体从"抗原加工厂"升级为"防御指挥中心"

革新感染治疗：开发不诱导耐药性的物理抗菌剂

破解自身免疫之谜：异常肽段生成可能导致免疫系统误攻

改写进化认知：抗菌防御可能早于抗原呈递出现

该研究发现的不是新分子，而是细胞运转了数十亿年的隐藏程序。这就像在自家后院发现了新大陆，而打开宝库的钥匙一直握在每个人手中。

当抗生素时代面临终结，这项发现为我们点亮了新的希望。或许在不远的将来，激活自身蛋白酶体将成为预防感染的标准疗法，而基于PDDPs的"智能抗生素"将重塑现代医学的版图。这场悄然的生物学革命，正在改写人类对抗病原体的游戏规则。

参考文献

Goldberg, K., Lobov, A., Antonello, P. et al. Cell-autonomous innate immunity by proteasome-derived defence peptides. Nature (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-08615-w

责编|探索君

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