摘要：我们身体的每一个细胞里，每时每刻都可能在上演着一场关乎生死的微观战争。在这场战争中，一方是我们自己的细胞，另一方则是试图“鸠占鹊巢”的入侵者，比如微小但狡猾的寄生虫。我们通常认为，细胞的防御体系依赖于免疫系统发出的宏观指令，比如派遣免疫细胞前来消灭敌人。但今天

我们身体的每一个细胞里，每时每刻都可能在上演着一场关乎生死的微观战争。在这场战争中，一方是我们自己的细胞，另一方则是试图“鸠占鹊巢”的入侵者，比如微小但狡猾的寄生虫。我们通常认为，细胞的防御体系依赖于免疫系统发出的宏观指令，比如派遣免疫细胞前来消灭敌人。但今天，我们将揭示一个发生在细胞内部、更加隐秘而巧妙的战场。

故事的主角，是我们既熟悉又陌生的细胞器——线粒体 (Mitochondria)。长久以来，它都被贴着“细胞能量工厂”的标签，默默无闻地为细胞提供能量。

然而，8月14日《Science》的研究报道“Mitochondria protect against an intracellular pathogen by restricting access to folate”，彻底颠覆了我们的认知。该研究向我们展示了线粒体如何从一个“后勤单位”摇身一变，成为“前线战士”，对入侵的弓形虫 (Toxoplasma gondii)发动了一场致命的资源消耗战。这不仅是一场力量的对决，更是一场智慧的博弈。

战争的硝烟，往往从一些看似不起眼的异常信号开始。研究人员在研究弓形虫感染的细胞时，注意到了一个奇怪的现象：被感染的细胞中，线粒体自身的遗传物质——线粒体DNA (mtDNA)的拷贝数，竟然在感染后24小时内稳定地增加了大约30%。

这是一个非常反常的信号。在细胞生物学中，mtDNA的增加通常与线粒体生物合成 (mitochondrial biogenesis)的活跃有关，也就是细胞正在制造更多的线粒体。研究人员通过检测发现，细胞内线粒体的总质量以及代表其丰度的关键蛋白质（如SDHB）水平并没有显著变化。这说明，细胞并非在“扩军”，而是在现有“部队”内部进行着某种神秘的动员。

这个反常的现象背后，必然有一个“指挥官”在发号施令。为了揪出这个幕后推手，研究人员动用了蛋白质组学质谱分析 (proteomics mass spectrometry)，对感染前后细胞内所有蛋白质的丰度变化进行了一次“大盘点”。结果令人震惊。在数千种蛋白质中，一个名为“激活转录因子4” (Activating Transcription Factor 4, ATF4) 的蛋白质脱颖而出。在弓形虫感染24小时后，它的蛋白水平飙升了约16倍，成为了被诱导程度最高的宿主转录因子。

ATF4，这个名字或许有些陌生，但它在细胞中扮演着“压力应急官”的关键角色。当细胞遭遇各种胁迫时，ATF4就会被激活，调动资源帮助细胞渡过难关。那么，mtDNA的神秘增加是否就是这位“应急官”的手笔呢？

为了验证这个猜想，研究人员进行了一个关键性的实验。他们利用基因编辑技术，敲除了细胞中的 ATF4基因，创造出无法生产ATF4蛋白的“失能”细胞。接着，他们用弓形虫感染这些细胞。结果清晰明了：在正常的野生型 (wild-type, WT)细胞中，mtDNA如期增加；然而，在失去了ATF4的细胞中，mtDNA的增加现象完全消失了。

这一证据将ATF4与mtDNA的异常增加牢牢地联系在了一起。警报的源头似乎找到了，但新的问题接踵而至：是谁唤醒了沉睡的ATF4？它如此大费周章地增加mtDNA，其真正的战略意图又是什么？这究竟是感染后的一种被动损伤，还是宿主细胞精心策划的一场主动防御？

要理解ATF4为何会被激活，我们首先需要知道，这位“压力应急官”通常由一条名为“整合应激反应” (Integrated Stress Response, ISR) 的信号通路来调控。ISR通路就像一个遍布细胞的警报网络，它有多个不同的“传感器”（即ISR激酶），分别负责感知不同类型的压力，例如营养缺乏、病毒感染、内质网功能紊乱等。一旦某个传感器被触发，它就会磷酸化一个关键的起始因子eIF2α，这个动作像拉响了警报一样，最终导致ATF4蛋白的翻译合成被特异性地增强。

那么，弓形虫感染究竟触发了哪个“传感器”呢？研究人员首先排除了几种可能性。他们发现，抑制负责感知生长信号的mTORC1通路，并不能阻止ATF4的激活。这说明ATF4的激活并非源于细胞对生长的响应。

接着，他们将目光直接锁定在了ISR通路上。他们设计了一个巧妙的实验，改造了细胞，使其eIF2α蛋白的一个关键位点 (丝氨酸-51) 无法被磷酸化 (eIF2αS51A)，相当于切断了整个ISR警报网络的核心线路。当这些改造后的细胞被弓形虫感染时，ATF4果然“默不作声”，完全没有被诱导出来。同样，使用一种名为ISRIB的ISR通路特异性抑制剂，也得到了相同的结果。这无疑证实了，弓形虫是通过激活ISR通路来唤醒ATF4的。

但问题又来了，弓形虫是如何触发ISR警报的？一种常见的猜测是，寄生虫在细胞内大量繁殖，疯狂掠夺细胞的营养物质，导致细胞“饥饿”，从而触发了感知营养缺乏的传感器（如GCN2）。然而，研究人员并不满足于这个简单的解释。他们怀疑，这背后可能有更主动的因素在作祟——寄生虫分泌的“效应蛋白” (effector proteins)。这些蛋白质如同寄生虫派出的“特工”，会直接干扰宿主细胞的正常功能。

为了验证这一点，他们使用了一种经过基因改造的“无能特工”弓形虫 (Δmyr1)。这种弓形虫依然可以在细胞内复制和掠夺营养，但它无法分泌一组关键的效应蛋白。实验结果令人兴奋：当普通弓形虫能轻易唤醒ATF4时，这种“无能特工”弓形虫却无法做到这一点。这说明，激活ATF4的并非寄生虫的营养掠夺行为，而是它主动分泌的某些物质对宿主细胞造成了直接的“挑衅”或“攻击”。

攻击的目标是哪里？顺着ISR通路的线索，研究人员最终将目光聚焦到了线粒体上。因为ISR通路中有一个专门感知线粒体压力的“传感器”，名为HRI。他们通过基因敲除发现，无论是敲除HRI，还是敲除其上游的激活蛋白OMA1（一个线粒体蛋白酶），都能有效地阻止弓形虫感染诱导的ATF4激活。

至此，一条完整的信号链浮出水面：弓形虫分泌的效应蛋白进入宿主细胞，对线粒体造成了某种胁迫；这种胁迫被线粒体上的OMA1-HRI传感器系统感知到，触发了ISR警报通路，最终唤醒了“压力应急官”ATF4。整个过程如同一部精密的谍战片，宿主细胞精准地识别了敌人的破坏活动，并启动了应急预案。

现在，最大的谜题摆在了我们面前：ATF4被唤醒后，它指挥的那场导致mtDNA增加的“神秘动员”，其真正的目的究竟是什么？这如何能帮助宿主细胞对抗入侵者？

当一位将军被派往前线，他的首要任务是分析战场，并找到敌人的弱点。ATF4作为转录因子，它的“武器”就是调控一系列基因的表达。研究人员通过分析ATF4调控的靶基因发现，在弓形虫感染和ISR激活的共同作用下，ATF4显著上调了两个关键酶的表达：MTHFD2和SHMT2。

这两个酶并非无名之辈，它们是细胞内一个至关重要的代谢途径——线粒体单碳代谢 (mitochondrial one-carbon metabolism, mito-1C) 的核心成员。这个途径的核心功能，是利用B族维生素中的一员——叶酸 (folate)，来转移“单碳单位”。这些单碳单位是合成核苷酸（DNA和RNA的基石）和多种氨基酸所必需的原料。简而言之，ATF4通过增强MTHFD2和SHMT2的表达，极大地加速了线粒体对叶酸的消耗和利用。

这立刻让研究人员将之前的发现串联了起来。还记得吗？ATF4的激活导致了mtDNA的增加。而现在他们发现，如果敲除mito-1C通路的核心酶MTHFD2，即使ATF4被正常激活，mtDNA也无法增加了。这说明，mtDNA的增加，实际上是线粒体单碳代谢极度活跃后的一种下游结果或表型。

一个大胆而合理的假设就此诞生：这根本不是为了制造更多的mtDNA。宿主细胞在ATF4的指挥下，启动了一项“坚壁清野”的焦土战略！它通过疯狂加速自身的线粒体单碳代谢，大量消耗细胞内的叶酸，从而让同样依赖叶酸才能生存的弓形虫陷入“饥荒”。

为什么是叶酸？因为叶酸对于弓形虫来说是致命的软肋。弓形虫需要利用叶酸来合成脱氧胸苷单磷酸 (deoxythymidine monophosphate, dTMP)，这是其复制自身DNA不可或缺的原料。没有足够的dTMP，弓形虫就无法分裂增殖，其在宿主细胞内的“扩张计划”便会彻底破产。

这里的关键在于：如果单碳单位来自宿主的线粒体单碳代谢 (mito-1C)，那么最终产生的dTMP会带上一个氘原子 (M+1)。而如果单碳单位来自细胞质的单碳代谢 (cyto-1C)——一条弓形虫自身也拥有并依赖的途径，那么产生的dTMP会带上两个氘原子 (M+2)。通过测量M+1和M+2 dTMP的比例，研究人员就能精确地判断dTMP的来源。

实验结果提供了强有力的证据： 在正常的受感染细胞中，主要产生的是M+1 dTMP，表明宿主的mito-1C在主导。 然而，在敲除了 ATF4的受感染细胞中，情况发生了惊天逆转。M+2 dTMP的比例急剧上升，占到了所有新合成dTMP的约20%。这清晰地表明，当宿主细胞的ATF4防御系统“下线”后，弓形虫便不再受到叶酸供应的限制，它自己的dTMP合成机器（位于细胞质）开始疯狂运转。

这正是“坚壁清野”战略的直接证据。ATF4通过强化线粒体的叶酸消耗，成功地压制了弓形虫获取和利用叶酸的能力。这是一场无声的代谢战争，战场就在细胞内部，武器就是对关键营养物质的竞争性消耗。

一个防御策略是否有效，最终要看它能否真正地抑制敌人。ATF4指挥的这场叶酸争夺战，真的能限制弓形虫的生长吗？

研究人员进行了一系列实验来回答这个问题。首先，他们直接破坏宿主的防御系统。无论是通过基因敲除ATF4，还是使用ISR抑制剂ISRIB来阻止ATF4的激活，结果都惊人地一致：弓形虫在这些“不设防”的细胞中复制速度显著加快，数量也变得更多。这说明ATF4介导的ISR通路确实是宿主的一道有效防线。

接着，他们进行了一个更具说服力的“反向”实验。他们使用了一种名为甲氨蝶呤 (methotrexate, MTX)的药物。MTX是临床上常用的化疗药物，其作用是抑制宿主细胞的叶酸代谢。巧妙的是，这种药物无法进入弓形虫体内，因此它只会“自断宿主一臂”，而不会直接攻击寄生虫。

根据“叶酸争夺”模型预测：如果在正常细胞中用MTX抑制了宿主的叶酸消耗，就等于变相地为弓形虫提供了更充足的叶酸“口粮”，寄生虫的生长应该会因此受益。

实验结果完美地印证了这一预测。在正常的野生型细胞中，用MTX处理后，弓形虫的增殖能力反而增强了。这个看似矛盾的结果，恰恰是对“代谢竞争”假说的有力支持。更进一步地，当他们在已经失去ATF4的细胞中使用MTX时，这种“助长”效果就消失了，因为这些细胞本身就已经失去了与寄生虫竞争叶酸的能力。

最后，为了确认dTMP的合成确实是限制弓形虫生长的“瓶颈”，研究人员对弓形虫本身进行了改造。他们利用一种可诱导的基因表达系统 (DiCre system)，让弓形虫在特定药物的诱导下，过量表达其自身的dTMP合成关键酶 (DHFR-TS)。结果，这些“装备升级”的弓形虫表现出了更强的生长和扩散能力，在细胞培养板上形成了明显更大的噬菌斑 (plaque)。

这一系列环环相扣的证据，共同描绘了一幅清晰的战争图景：宿主细胞通过ISR-ATF4-mito-1C轴线，巧妙地限制了弓形虫的叶酸供应，卡住了其dTMP合成的“咽喉”，从而有效地抑制了它的增殖。这是一种进化上高度保守且极为高效的细胞自主防御机制。

细胞培养皿中的发现固然激动人心，但一个更重要的问题是：在体内，这场围绕叶酸的战争是否同样在上演？

为了回答这个问题，研究人员将战场从培养皿转移到了小鼠体内。他们将弓形虫注射到小鼠的腹腔，模拟急性感染过程。在感染的高峰期（第5天），他们从感染部位分离出小鼠的腹腔渗出细胞 (peritoneal exudate cells, PECs)进行分析。

结果发现，与体外细胞实验的结果高度一致，这些来自感染一线的小鼠细胞中，ATF4的靶基因，包括 Atf3Shmt2, 和Mthfd2，其表达水平均显著上调。这表明，在真实的感染环境下，宿主动物确实启动了同样的ISR-ATF4防御通路。

接下来是最关键的一步：如果在动物体内抑制这条防御通路，会对感染进程产生什么影响？研究人员对一组小鼠在感染弓形虫的同时，持续注射ISR抑制剂ISRIB。

结果是决定性的。与未接受抑制剂的对照组小鼠相比，注射了ISRIB的小鼠体内，ATF4靶基因的上调被明显抑制了。更重要的是，这些小鼠体内的弓形虫负担显著增加。在感染第5天，其腹腔内游离的弓形虫数量是对照组的近三倍。

这个在活体动物模型中获得的数据，为整个研究的结论画上了一个完美的句号。它有力地证明了，ATF4介导的、以限制叶酸为核心的代谢防御策略，不仅存在于培养的细胞中，更是在动物抵御病原体感染的真实生理过程中扮演着至关重要的角色。

这项研究为我们讲述了一个关于细胞防御的全新故事。它揭示了线粒体，这个我们以为只负责能量供应的“后勤部门”，在面对入侵者时，是如何被动员起来，走上“最前线”，并运用其独特的代谢能力，发动了一场巧妙的资源消耗战。

整个故事的逻辑链条清晰而深刻：寄生虫的效应蛋白引发了线粒体应激，这激活了ISR-ATF4信号通路，进而上调了线粒体单碳代谢，导致细胞内叶酸被大量消耗，最终“饿死”了依赖叶酸进行DNA复制的弓形虫。这是一种被称为“营养免疫” (nutritional immunity) 的古老策略在细胞器层面的完美体现。

这一发现开启了我们对细胞免疫和宿主-病原体相互作用理解的新篇章。它让我们思考：

这种基于代谢竞争的防御机制是否具有普遍性？它是否也适用于对抗其他需要叶酸的细胞内病原体，比如导致疟疾的疟原虫 (Plasmodium)？

在临床上，我们是否可以借鉴这种策略？比如，通过靶向药物适度激活宿主的这条防御通路，来增强机体对抗感染的能力？

反过来，这项研究也提醒我们，日常的营养摄入，比如叶酸的补充，可能会对感染性疾病的进程产生意想不到的影响。例如，已有研究提示高剂量的叶酸补充可能与小鼠和人类的疟疾感染加重有关。

战争，无论在宏观世界还是微观世界，其本质都是对资源的争夺。这项研究让我们得以一窥细胞内部这场无声而激烈的资源战争。下一次，当你想到线粒体时，或许不再仅仅视其为一个能量工厂，而会想起它也是一个智慧的战士，在你看不到的战场上，为了保卫你的每一个细胞，正进行着殊死的搏斗。

科学的魅力，在于不断地为我们揭示这些隐藏在平凡之下的、令人赞叹的生命奇迹。

参考文献

Medeiros TC, Ovciarikova J, Li X, Krueger P, Bartsch T, Reato S, Crow JC, Tellez Sutterlin M, Martins Garcia B, Rais I, Allmeroth K, Hartman MD, Denzel MS, Purrio M, Mesaros A, Leung KY, Greene NDE, Sheiner L, Giavalisco P, Pernas L. Mitochondria protect against an intracellular pathogen by restricting access to folate. Science. 2025 Aug 14;389(6761):eadr6326. doi: 10.1126/science.adr6326. Epub 2025 Aug 14. PMID: 40811546.

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来源：生物探索一点号1