海洋中数量最多的"独行"微生物也有黏附的另一面

我们每呼吸两次，其中一次所吸入的氧气，都来自漂浮在海洋表层的微小细胞——浮游植物。

在这些浮游植物中，有一种名为原绿球藻（Prochlorococcus）的生物，它是海洋中体积最小、数量最多的光合生物。

仅凭一己之力，它就承担了陆地和海洋每年从大气中吸收的碳总量的约10%。

自麻省理工学院讲席教授萨利（彭妮）·奇肖姆（Sallie Penny Chisholm）及其同事数十年前发现这种微生物以来，原绿球藻一直被认为是一种"独行"微生物，自由漂浮、随波逐流于阳光充足的海水中。

由于它在海水表层附近生存和死亡的周期都很短，科学家此前认为原绿球藻对海洋的生物泵——将碳转移到深海并储存起来的自然过程——贡献甚微。

分段标题：发现的开端

现在，奇肖姆实验室的一组麻省理工学院研究人员发现，这幅图景并不完整。

在发表于《自然-通讯》的一篇开放获取研究中，他们证明原绿球藻也可以形成生物膜，即附着在表面上的黏性细胞群落。

这一发现表明，这种微小生物还有另一种生存方式，而这种方式可能在碳封存中扮演更为重要的角色。

分段标题：一个黏性的惊喜

论文第一作者、麻省理工学院土木与环境工程系博士后玛雅·安尤尔-迪特里希（Maya Anjur-Dietrich）表示："现在我们可以认为原绿球藻存在于两个截然不同、却又相互关联的世界中。

当这些细胞处于浮游状态时，它们漂浮在养分匮乏的水中，与最近的邻居可能相隔数百个细胞长度的距离。

而一旦附着在颗粒物上，它们就会经历一个完全不同的物理和化学世界。

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研究团队还发现证据表明，附着态的原绿球藻在海洋中普遍存在，从阳光充足的表层一直延伸到1000米深处都能发现它们的踪迹。

实验室多年来一直注意到一些黏附现象的迹象。

培养老化后的试管底部常会出现细胞团块，此前实验室的一项研究也显示，某些菌株会附着在几丁质颗粒上。

安尤尔-迪特里希加入实验室后，决定深入研究从不同海域分离出的多种原绿球藻"生态型"中的"附着现象"。

研究人员对原绿球藻家族树上每个主要分支的菌株都进行了测试。

她说："在我们测试的每一个原绿球藻菌株中，都观察到了生物膜形成的表型，这真是个巨大的惊喜！"

在典型的培养实验中，约有6%的细胞会黏附在试管壁上。

但如果只将黏附的细胞转移到新鲜培养液中，经过多代反复操作，最终这些种群中约有85%的细胞会处于附着状态。

分段标题：相同的指令，不同的表现

这种黏附特性会从亲代细胞传递给后代，但随着时间推移，经过选择，黏附型种群也可能回归到浮游状态。

当研究团队对处于两种不同状态的细胞进行基因组测序时，并未发现导致黏附的突变。

基因完全相同的细胞可以存在于两种状态之一，种群也可以在以附着为主和以自由漂浮为主之间来回转换。

安尤尔-迪特里希说："这些细胞共享同一套基因组，也就是同一套指令集，但它们改变的是在特定时刻读取指令的哪些部分。

你可以把它想象成不同的音乐家都演奏同一份乐谱——音符不会改变，但每个人会决定是大声还是轻声演奏，是快还是慢。

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她表示："这项发现的有趣之处在于，这意味着原则上任何一个细胞都可能处于这两种状态之一，具体取决于基因表达情况，而这种状态还可能在细胞自身的生命周期以及其后代的生命周期中发生变化。

再用那个比喻来说，同一位音乐家可能先缓慢而响亮地演奏同一段乐曲，十分钟后又决定快速而轻柔地重新演奏一遍。

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生物膜中的生活改变了细胞的行为方式。

附着态细胞产生更多叶绿素，生长速度比自由漂浮的细胞更慢，但它们向周围水体释放的有机碳几乎是后者的两倍。

细胞也并非永远保持黏附状态，一些细胞会脱离生物膜，继而开始形成新的自由漂浮种群。

为什么一种微生物会同时拥有两种生存方式呢？

安尤尔-迪特里希说："总体而言，种群内部的多样性可能有助于在多变的环境中确保生存。

海洋中的环境和养分条件难以预测，拥有多种生存方式可能意味着总有一部分种群能够繁衍兴旺。

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她解释说，自由漂浮的细胞可能更容易获取阳光，并能传播到更远的地方。

而附着态细胞则可能从邻近微生物制造的养分中获益，并获得免受捕食者侵害的保护，但代价是最终沉出阳光充足区域的概率也会增加。

分段标题：碳循环谜题的新拼图

为了确定这种附着现象是否也发生在自然环境中，研究团队分析了按颗粒大小过滤的海水样本中的DNA，并将自己的数据与全球"塔拉海洋项目"数据库相结合。

他们在每一个样本中都发现了附着于颗粒物上的原绿球藻。

例如，在夏威夷ALOHA观测站阳光充足的水域中，颗粒物上微生物群落中约有12%是由原绿球藻构成的。

研究人员估计，如果原绿球藻能够附着在沉降颗粒物上并随之沉出阳光充足区域，每年它可能将约5亿吨碳带入更深层的海水之中。

安尤尔-迪特里希说："海洋是地球气候系统的关键组成部分。

由原绿球藻等生物从大气二氧化碳中固定下来的绝大部分碳，会在沿食物链被各类生物消耗的过程中实现循环再生。

最终，由于消化和呼吸过程会分解有机碳化合物，这些碳大多会重新返回大气。

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然而，其中部分碳会沉积到海底，并可能在那里被封存数百年之久。

关于这种方式储存了多少碳的估算，是基于关于哪些生物会下沉以及养分在下沉途中如何循环利用的假设而得出的。

安尤尔-迪特里希强调，团队得出的数字只是一个起点。

她说："我们关于原绿球藻的估算只是一个非常粗略的初步估计，它取决于表层原绿球藻的数量、有多少会附着在颗粒物上，以及它在沉向海底的过程中可能被消耗的程度。

但真正令人振奋的是，这些因素中的许多都取决于微生物生物学特性，而我们已经发现原绿球藻在这些过程中扮演着重要角色。

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作为论文的通讯作者，奇肖姆表示，这一发现证实了她长期以来的一个猜想。

她说："我们一直在思考这种可能性已有一段时间了，我们培养实验中细胞的某些行为已经给出了暗示。

能够终于开始理解这一现象真是太棒了，这也让我们更有理由去推测附着现象对海洋碳通量的影响。

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奇肖姆补充道："原绿球藻能够附着在表面这一事实，使它在将碳从大气泵送到深海这一关键过程中处于核心地位。

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分段标题：仍有更多待解之谜

基于原绿球藻会附着于海洋中颗粒物这一发现，研究团队已经开展了后续研究，再次利用自己的数据以及存档的基因数据，估算整个种群——包括自由漂浮和附着态细胞——中与颗粒物相关联的比例，以及这一比例在不同海域盆地之间可能如何变化。

安尤尔-迪特里希说："如果我们了解了这一点，就能在预测原绿球藻所封存碳量方面取得巨大进展。

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她还对原绿球藻如何影响其在颗粒物上的邻居感到好奇。

在仍处于阳光充足的海洋环境中时，附着态细胞会持续进行光合作用并释放碳。

这可能会让其他微生物比直接消耗颗粒物本身更容易获得食物。

她形象地描述道："也许原绿球藻为其他微生物提供了蛋糕，否则它们就只能吃硬纸板了。

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如果真是这样，那么携带原绿球藻的颗粒物在下沉过程中可能会分解得更慢。

她已经开始用几丁质颗粒、原绿球藻和一种以几丁质为食的微生物进行初步实验，来验证这一想法。

研究人员对原绿球藻了解得越多，就越能发现它的生存方式有多么复杂：这种微小的细胞可以独自漂流，也可以加入群体，还能在不同生存方式之间切换，甚至可能附着在会沉向深海的颗粒物上。

奇肖姆预计，这种微小的细胞身上仍藏有许多秘密。

她说："我很希望能在50年后回过头来看看，那些秘密究竟是什么。

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麻省理工学院土木与环境工程系的其他合著者包括凯特琳·G·琼斯（Katelyn G. Jones）、詹姆斯·I·穆莱特（James I. Mullet）、阮英妮（Nhi N. Vo）、库尔特·G·卡斯特罗（Kurt G. Castro）和西耶拉·M·帕克（Sierra M. Parker），这项研究建立在麻省理工学院前博士后尼古拉·拉津斯基（Nikolai Radzinski）和吉奥·卡波维拉（Gio Capovilla）工作的基础之上。

这项研究获得了西蒙斯基金会（Simons Foundation）资助和巴勒斯·威尔康基金（Burroughs Wellcome Fund）的资金支持。

适应性免疫系统关键细胞的功能调控解析

一、免疫平衡：免疫应答与免疫耐受的动态调节 适应性免疫系统的精准功能依赖于免疫应答与免疫耐受的动态平衡，这不仅体现在促炎与抗炎效应的协调，更表现为对 “异己” 抗原的激活与 “自身” 抗原的无反应性之间的切换。

免疫应答能清除病原体和肿瘤细胞，免疫耐受可避免自身免疫攻击，二者相互制约，共同维持机体稳态。

免疫耐受的建立涉及多种细胞和机制，从免疫细胞发育到外周功能调控，均精细筛选和抑制自身反应性淋巴细胞。

T 细胞、B 细胞是免疫耐受的基础，调节性 T 细胞（Treg）主动维持外周耐受，树突状细胞（DC）则作为抗原呈递枢纽调控免疫应答方向，它们的功能及调控机制构成了适应性免疫系统稳态的核心网络。

二、T 细胞与 B 细胞：适应性免疫耐受的基础构建 T淋巴细胞的定义和主要功能是什么？核心细胞，负责细胞免疫和辅助体液免疫。

T 细胞和 B 细胞通过中枢和外周耐受机制，维系免疫耐受基础。

（一）中枢耐受：淋巴细胞发育中的 “质量筛选” 中枢耐受是淋巴细胞发育早期的第一道屏障，分别发生在 T 细胞的胸腺发育和 B 细胞的骨髓成熟过程。

记忆性淋巴细胞的功能和意义何在？长期存活，介导更快更强的二次免疫应答。

B 细胞在骨髓发育时，未成熟 B 细胞经 BCR 的 VDJ 重排形成多样抗原识别库，约 75% 的早期未成熟 B 细胞有自身反应性，其中 1/3 通过二次 Ig 基因重排（受体编辑）降低自身反应性，无法修正的则启动凋亡，减少成熟 B 细胞中自身反应性克隆比例。

T 细胞在胸腺经历 TCR 基因重排后，需经阳性和阴性选择。

阳性选择确保其识别自身 MHC 分子，阴性选择清除对自身抗原 - MHC 复合物高亲和力的克隆。

不识别 MHC 或高亲和力结合的 T 细胞凋亡，仅低亲和力结合的存活并分化为成熟 CD4⁺或 CD8⁺T 细胞，降低对自身组织的攻击性。

（二）外周耐受：中枢筛选后的 “补救机制” 约 25%-40% 的自身反应性 T 细胞和 40% 的自身反应性 B 细胞会逃逸中枢筛选，外周耐受成为重要补救措施。

T 细胞激活需三个信号：TCR 与 MHC - 抗原肽结合（第一信号）、共刺激受体与共刺激分子结合（第二信号）、细胞因子与受体结合（第三信号）。

仅存第一信号或跳过前两信号直接激活第三信号，会诱导 T 细胞无反应性，表现为功能失活、增殖受抑且无法分泌 IL-2。

重复抗原刺激、IL-10 作用及共抑制信号激活，也能巩固外周耐受。

B 细胞激活需 BCR 与抗原结合（第一信号）、TLR 信号（第二信号）、Th 细胞共刺激（第三信号）。

缺乏第二或第三信号时，即使 BCR 与自身抗原高亲和力结合，也会诱导其克隆缺失或无反应性，抑制自身反应性 B 细胞活化。

抗原水平影响淋巴细胞命运：高水平诱导无反应性，低水平易触发凋亡。

且 T、B 细胞无反应性非永久，抗原刺激消除后功能可部分恢复，与慢性感染或肿瘤中淋巴细胞耗竭相关。

三、调节性 T 细胞：外周耐受的主动调控者 调节性 T 细胞（Treg）通过主动抑制效应性免疫细胞活性，维持外周免疫耐受，主要亚群有 Foxp3⁺Treg 和 Foxp3⁻Treg（如 Tr1 细胞）。

Foxp3⁺Treg 特征性表达 Foxp3，胸腺成熟后迁移至外周，识别自身抗原抑制效应性 T 细胞活化。

其通过与效应性 T 细胞直接接触，竞争性结合 APC 表面共刺激分子，分泌 IL-10、TGF-β 等抗炎因子，抑制 T 细胞增殖与细胞因子分泌。

Foxp3⁻Treg（以 Tr1 为代表）通过分泌细胞因子和表达抑制性分子发挥作用。

产生大量 IL-10 和 TGF-β 抑制 T 细胞功能；表达穿孔素和颗粒酶 B 杀伤 APC；高表达 CTLA-4、PD-1 接触抑制 T 细胞；表达 CD39 降解 ATP 为腺苷间接抑制免疫反应，在黏膜组织耐受维持中作用重要。

Treg 功能具可塑性，数量和活性异常会致耐受失衡。

Foxp3⁺Treg 功能缺陷引发自身免疫病，肿瘤微环境中 Treg 富集抑制抗肿瘤免疫，精准调控其功能是治疗自身免疫病和肿瘤的重要策略。

四、树突状细胞：免疫耐受的 “枢纽” 调节者 树突状细胞（DC）是功能最强的抗原呈递细胞，既是免疫应答启动关键，也是免疫耐受调控中心介质，全程参与 T、B 细胞分化等调控。

传统认为 DC 成熟状态决定功能，未成熟诱导耐受，成熟启动应答。

但近年研究表明，诱导耐受需 DC 进入 “耐受性成熟” 状态，与独特转录程序相关：下调共刺激分子，上调共抑制分子；减少促炎因子，增加抗炎分子；增强抗炎代谢产物生成，赋予其诱导 T 细胞无反应性或分化为调节性 T 细胞的能力。

不同 DC 亚群功能有差异：浆细胞样 DC（pDC）稳态下分布于血液和淋巴组织，激活 T 细胞能力弱，可诱导 Treg 分化；传统 DC（cDC）能递呈抗原，促进 Foxp3⁺Treg 和 Tr1 分化；单核细胞衍生 DC 参与免疫调节，在耐受中具体作用待深入研究。

调控 DC 向耐受性表型分化，是开发免疫治疗策略的重要切入点，在自身免疫病、器官移植排斥防治中前景广阔。

五、总结与展望 T 细胞、B 细胞、Treg 和 DC 通过功能协作，构建多层次免疫耐受网络，同时保障对病原体的应答。

T、B 细胞的中枢筛选与外周无反应性是耐受基础，Treg 主动维持外周稳态，DC 整合信号决定应答方向。

这些细胞的调控机制为疾病治疗提供靶点：增强免疫应答可治感染和肿瘤，诱导免疫耐受对自身免疫病等至关重要。

未来深入解析细胞互作网络及调控机制，将推动免疫治疗优化，为维持免疫平衡、防治相关疾病提供精准理论和方案。

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不只靶向 E3酶，E2 泛素结合酶也能开发小分子抑制剂

期刊：Journal of Medicinal Chemistry DOI：10.1021/acs.jmedchem.6c01896 泛素化药物研发，靶点不止 E3 近期，一项发表于Journal of Medicinal Chemistry的研究便聚焦于 E2 泛素结合酶 UBE2D2。

研究人员通过亲电试剂优先筛选（electrophile-first） 与 X 射线晶体学相结合的策略，发现了能够结合 UBE2D2 的新型小分子 XY54，并进一步利用蛋白-小分子共晶结构指导化合物优化，获得了对催化位点 C85 具有更明确结合偏好的候选化合物 XY54-24。

这项研究为理解 E2 的小分子结合机制，以及利用结构信息开发相关抑制剂，提供了新的研究基础。

亲电试剂优先筛选锁定苗头化合物XY54 为快速发掘共价活性分子，研究团队采用亲电试剂优先筛选策略，对带有共价弹头的化合物库进行直接筛选。

依托DSF、ABPP这两种成熟经典的生化筛选手段，团队最终鉴定得到骨架新颖的氨基噻唑类苗头化合物 XY54。

图1. 针对UBE2D2的共价化合物库筛选 图2. UBE2D2-XY54复合物的共晶结构 同时，从结合模式发现，C85 口袋在酰胺取代区域留有空余空腔；而C111 周边氨基酸排布紧凑，空间很小。

这种口袋环境的差异，为后续位点选择性改造提供了结构依据。

共晶结构指导优化，提升位点选择性与结合亲和力 C85位于催化口袋内，是抑制中间体E2~Ub形成的关键位点，而C111位于蛋白表面，是非催化位点。

因此共价抑制剂的优化目标是保留并增强C85结合，同时削弱C111的结合。

图3. 针对XY54的酰胺基与酯基进行结构引导修饰的策略示意图，旨在提高其对C85的选择性与结合亲和力，同时降低对C111的结合。

研究人员根据共晶结构展现出的口袋差异，分两轮对XY54进行了理性优化改造。

第一轮改造聚焦酰胺侧链。

通过在酰胺氮上引入不同取代基团，以实现“C85 口袋可以接纳该侧链，C111 口袋产生空间位阻冲突” 的目标。

经过多批衍生物合成与生化活性评价，发现带有对羟基苯乙基取代的XY54‑19综合表现最优。

图4. XY54-19优先结合于UBE2D2的C85位点 第二轮改造针对甲酯基团。

XY54‑19 自带的甲酯基团容易水解，存在代谢短板。

研究人员将酯基替换为一系列 N‑取代酰胺，筛选适配 C85 口袋的最优基团。

构效数据表明，只有体积小巧的小环酰胺可以很好适配口袋，其中环丙基酰胺衍生物 XY54‑24性能最佳。

图5. 通过酯基团修饰对XY54-19进行优化 生化测试结果显示，XY54‑24针对C85的抑制活性相比原始苗头 XY54 提升近 10 倍；GSH 体外反应测试显示，XY54‑24 弹头的本征巯基反应活性与临床共价药物阿法替尼相近，活性处于适中水平。

针对 UBE2D 家族各亚型的平行评价表明，XY54‑24 对 UBE2D2 的抑制活性优于 UBE2D1/3/4，表现出一定亚型选择性。

图6. XY54-24以UBE2D2 C85为靶点，并抑制其酶活性 图7. XY54-24对UBE2D家族蛋白的结合亲和力 细胞水平验证：抑制 A549 增殖并诱导凋亡 体外酶活实验证实，XY54‑24 能够阻断 UBE2D2‑泛素硫酯中间体形成，直接抑制 UBE2D2 酶催化功能。

进入细胞体系后，该分子可以穿透细胞，在胞内靶向 UBE2D2，剂量依赖性抑制 A549 肺癌细胞增殖、诱导肿瘤细胞凋亡。

共价抑制剂特征的洗脱实验验证：小分子与靶蛋白形成稳定共价加合物后，即便洗去游离药物，抑制效果依旧维持。

搭配 siRNA 敲低实验进一步证明，化合物产生的细胞抑制作用部分依赖 UBE2D2 靶点，降低了表型来自非特异性毒性的可能性。

研究也客观指出先导分子的局限：活性仍处在微摩尔区间；同时人肝微粒体代谢半衰期短，距离适用于体内研究的高质量化学探针，还留有进一步优化空间。

图8. XY54-24可抑制A549细胞的增殖并诱导其凋亡 总结 这项研究以亲电试剂优先筛选结合X射线晶体学的手段，发现并优化得到了UBE2D2小分子配体XY54-24，其在细胞水平的实验结果证实，XY54-24能够抑制A549肺癌细胞的增殖。

在共价靶点开发中，DSF、ABPP 是快速验证小分子-蛋白互作、筛选活性苗头分子的经典手段，而共晶结构解析则是揭示结合模式、实现理性分子改造的核心利器。

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