摘要：

Cell | 细菌对抗噬菌体的新武器—识别DNA完整性与损伤平衡的Hachiman

解旋酶通过感知病原体相关模式(pathogen- associated molecular patterns, PAMPs)参与真核生物和原核生物中先天性和适应性免疫。依赖解旋酶发挥免疫作用的系统和调控机制尚未清晰。2024年10月11日，Cell杂志在线发表了2020年诺贝尔化学奖得主、基因编辑先驱，美国加州大学伯克利分校 Jennifer Doudna 教授团队的研究成果“Genome integrity sensing by the broad-spectrum Hachiman antiphage defense complex”(doi: 10.1016/j.cell.2024.09.020)。Hachiman是广谱噬菌体防御系统(Hachi¬man是日本文化中的守护神—八幡神)。该研究发现Hachiman通过解旋酶HamB监测宿主细胞内DNA损伤，并由“棘轮”效应激活核酸酶HamA降解宿主细胞内的包括细菌和噬菌体的所有核酸，形成“幽灵”细胞，为噬菌体提供保护。

原核生物抗病毒防御系统中编码许多与真核生物中各种免疫和调节解旋酶同源的解旋酶，比如Hachiman系统。Hachiman是双组分系统，分别编码HamA(功能未知的蛋白，本研究中证实是核酸酶)和SF2/Ski2样解旋酶HamB。为了评估Hachiman功能，研究人员构建了包含不同大肠杆菌基因组中识别出的不同的Hachiman基因位点质粒，并进行了噬菌体抗性验证。Hachiman介导的防御可以识别多种双链DNA噬菌体，并抑制其子代的产生，呈现“流产感染”的程序性细胞死亡表型。推定的核酸酶和解旋酶活性位点突变以及保守结合基序的突变会使Hachiman丧失噬菌体保护能力，证明Hachiman的完全保护功能需要核酸酶和解旋酶两种活性，并且HamA和HamB的组合对噬菌体防御的激活至关重要。生化实验验证了HamB的解旋酶和NTP酶活性。通过测试纯化的质粒DNA的切割活性，研究人员证明了HamA作为Hachiman免疫中的效应核酸酶。为进一步解析Hachiman功能的分子基础，研究人员构建并表征了不同状态下的HamA和HamB以及其复合物的三维结构图。冷冻电镜(cryo-EM)发现HamAB是由HamA和HamB 1∶1组成的异源二聚体。HamB由两个堆叠的RecA样解旋酶结构域RecA1和RecA2组成解旋酶核心，C末端的α螺旋区域(CAH)形成可能的核酸结合裂缝，N末端α螺旋束(NAH，N α-螺旋)有助于结合HamA。在另一种构象中，ATP的水解会为别构激活HamAB提供输入能量，HamB发生“棘轮”运动，RecA2逆时针移动。而NAH和CAH顺时针旋转，释放了HamA。

该研究表明，噬菌体感染期间，基因组完整性是一个重要的“战场”。移动遗传元件的传播显著改变了细胞内的核酸代谢，噬菌体基因组的快速复制可能会增加DNA损伤和复制叉停滞的频率，Hachiman能够扫描并监视DNA完整性，感知响应与宿主或噬菌体DNA完整性压力相关的基序而激活。噬菌体DNA复制依赖同源重组。同源重组产生的游离ssDNA末端是HamB的识别底物。当细胞积累DNA损伤时，Hachiman接触到游离的单链DNA(ssDNA)末端，该末端会插入HamB的活性位点，诱导ATP水解并产生能量、HamB发生“棘轮”运动改变自身构象等结果，并释放激活HamA核酸酶降解DNA，既清除噬菌体DNA又清除宿主DNA，最终导致细胞死亡，提供了广泛的噬菌体免疫。当然，还有许多问题需要回答，比如hamB转位的其他功能，hamB是释放hamA切割DNA(反式切割)还是“主动”递给hamA去装载DNA(顺式切割)？顺式切割与反式切割的比例对于Hachiman保护水平的重要性如何？噬菌体编码的抗Hachiman分子的作用机制尚不清晰。总之，这为从结构、功能和分子机理等方面认识细菌免疫武器与DNA损伤应激提供了研究新范式。■推荐人：张天雨，谢建平

Nature | 巨噬细胞活性氧产生受损导致肺结核易感性的遗传机制

孟德尔易感性分枝杆菌病(Mendelian suscepti¬bility to mycobacterial disease, MSMD)是由环境分枝杆菌或卡介苗(Bacillus Calmette-Guérin, BCG)疫苗等弱毒分枝杆菌引起的临床疾病，此类疾病患者也容易感染毒性更强的结核分枝杆菌(M. tuberculosis)和其他巨噬细胞内微生物。MSMD致病基因的突变会干扰IFNγ(如IFNG、IL12B)的产生以及对IFNγ的应答(如CYBB、JAK1)，或影响单核细胞的募集(如CCR2)。分枝杆菌疾病的外显率和严重程度与IFNγ活性水平呈负相关，表明人类IFNγ的活性是控制抗分枝杆菌免疫的数量性状。吞噬细胞NADPH氧化酶复合物是一种产生活性氧(reactive oxygen species, ROS)的酶，ROS包括超氧化物(O2−)和过氧化氢(H2O2)在内的产生，对于细菌、真菌和寄生虫的免疫至关重要。慢性肉芽肿病(chronic granulomatous disease, CGD)是一种先天性免疫错误(inborn error of immunity, IEI)，其特征是吞噬细胞中ROS的产生减少或中断。据估计，全球约25%的人口感染了结核分枝杆菌，但只有5%~10%的感染者发展为结核病。BCG疾病的发病率约为1/50,000，这意味着结核分枝杆菌的毒性至少是卡介苗的1000倍。据报道，常染色体隐性遗传(AR)完全性IL-12Rβ1和AR TYK2缺陷是多个家族结核病的基础。但巨噬细胞活性氧产生与结核病易感性的相关性及遗传机制尚不清楚。2024年8月28日，美国洛克菲勒大学的Stéphanie Boisson-Dupuis团队在Nature上发表了题为“Tuberculosis in otherwise healthy adults with inherited TNF deficiency”的研究文章(doi: 10.1038/s41586-024-07866-3)。该研究以两名携带TNF(tumor necrosis factor)功能丧失突变纯合子的患有复发性肺结核且没有任何其他临床表型的成年人为研究对象，他们的白细胞(包括单核细胞和单核细胞衍生的巨噬细胞)即便在IFNγ刺激后，也不产生TNF。研究发现人TNF是巨噬细胞中对结核分枝杆菌的呼吸爆发依赖性免疫所必需的，但对于炎症和对弱毒力分枝杆菌和许多其他传染原的免疫，它却是多余的。在粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子(granulocyte- macrophage colony-stimulating factor，GM-CSF)存在的情况下，单核细胞向巨噬细胞分化过程中TNFR1的信号传导的缺少会导致TNF产生减少，从而巨噬细胞中活性氧ROS的产生受损，削弱了对结核分枝杆菌的防御能力。综上，该文章揭示了TNF在肺结核易感性中的关键作用，对于结核分枝杆菌的感染防治提出了新的策略。■推荐人：隆李花，张天宇

Nature | 桥RNA——新的基因编辑技术问世

基因编辑技术是指对生物体基因组特定目标进行修饰的过程，目的是能够精准的改变生物体的遗传信息以研究基因功能和调控。美国加州大学伯克利分校Patrick D. Hsu课题组发现一种更加精准有效的基因重组、并且不会造成需要修复断裂的基因编辑技术——桥RNA(2024年6月26日在线发表，doi: 10.1038/s41586-024-07552-4)。值得一提的是，该文章的通讯作者Patrick D. Hsu是CRISPR基因编辑技术的创始者张锋教授的第一届研究生。该研究团队通过研究插入序列(IS)与靶标和供体 DNA 相互作用的机制和结构特性，在自主转座因子中发现了一种基因组编辑工具 IS110 重组酶和一种非编码 RNA(ncRNA)，并通过体外重组实验证明了这些ncRNA能够特异性与IS110重组酶结合，表明了ncRNA在体外重组中的作用。ncRNA-重组酶复合物能够与靶标和供体DNA分子进行特异性结合，因此将这些ncRNA称为“桥RNA”。桥RNA的两个内部环分别识别IS110 DNA供体及其基因组插入靶点，可以直接通过碱基配对相互作用连接供体和靶DNA分子，促进IS110重组酶的DNA重组。此外，桥RNA的每个结合环都可以独立地重新编辑以结合和重组不同的 DNA 序列。IS110桥式重组系统突破了RNAi和CRISPR的限制，使得通过序列特异性的插入、倒位或删除的DNA重排机制得以普遍应用。■推荐人：覃宏冠，龚吉红，阳小飞

Nature | 人类线粒体基因组约束的量化

线粒体DNA(mtDNA)在人体健康和疾病中扮演重要角色，其变异与自闭症、癌症、神经退行性疾病等多种疾病有关。然而，由于mtDNA结构紧凑、突变率高且缺乏核DNA的保护性修复机制，科学分析和识别其中的关键变异位点极具挑战。近期，美国耶鲁大学医学院Nicole J. Lake与Monkol Lek团队开发了一种线粒体复合似然模型(mitochondrial com¬posite likelihood model)，能更准确地识别mtDNA中的关键变异位点(2024年10月16日在线发表，doi: 10.1038/s41586-024-08048-x)。该模型通过计算每个位点的突变概率来估算mtDNA的“中性突变率”，并基于突变数据集统计每种三核苷酸组合的突变概率，进而计算每个位点在不同突变类型下的变异概率。并结合全球最大的人群线粒体变异数据库gnomAD的数据，使用O/E比值(即预期与观察到的突变比率)来评估不同位点对突变的敏感程度。基于此，研究团队开发了局部约束评分(MLC score)，采用滑动窗口方法计算每个位点的变异约束评分(范围0~1)，其中高MLC评分意味着该位置对突变非常敏感，而低评分则表明该位置对突变更具耐受性。研究表明对突变高度敏感的位点通常位于对细胞功能至关重要的区域，包括蛋白质编码基因、tRNA和rRNA的结构域以及非编码区的调控区域。综上，该研究不仅为识别mtDNA中潜在的致病性突变提供了新工具，也为线粒体相关疾病的早期筛查和基因疗法提供重要支持。■推荐人：许琪

Nature Communications | 柯凯因综合征与转录延伸中RNA聚合酶II停滞引起的R-loops水平提升相关

柯凯因综合征组B (Cockayne syndrome group B，CSB)的突变在小鼠和人造成不同的表型。CSB在基因表达调控和转录偶联的核苷酸切除修复(transcription-coupled nucleotide excision repair, TC-NER)中发挥多重功能，但这些功能无法解释上述表型差别。西湖大学付向东团队联合美国加州大学圣迭戈分校王栋团队最近发现柯凯因综合征与转录延伸中RNA聚合酶II (RNA polymerase II, Pol II)停滞引起的R-loop水平提升相关(2024年7月17日在线发表，doi: 10.1038/s41467-024-50298-w)。为确定提升的R- loop水平是否为CSB突变导致基因组不稳定的原因，作者首先比较了对照和CSB敲低人类HEK293细胞中的R-loop水平，发现敲低导致R-loop水平提升，进一步的分析还揭示了敲低后新生成的基因体R-loop的尾部常有一段富含T的序列(T-run)。其后发现CSB和Pol II在R-loop区域共定位、CSB缺失导致Pol II的结合降低，进而猜想CSB缺失可能导致Pol II从染色质上掉下来、暴露出的RNA的3′末端可驱动R-loop的生成。作者为验证这一猜想建立了一套体外转录延伸系统，发现Rad26(CSB的酵母同源蛋白)可促进延伸中的Pol II通过T-run，T-run与上游的富含G的核苷酸簇可促进R-loop的形成。为了解析造成CSB缺失造成小鼠和人表型差异的机制，作者首先分析了缺失对HEK293细胞中新生RNA转录的影响，发现下调的基因富含新生R-loop、长度中值大于不变的或上调的基因，并且主要与神经元功能和DNA损伤修复相关。其后开发了一种可较准确预测R-loop的算法，并利用该算法和新生RNA表达数据在其他人类细胞中也得出了与HEK293细胞中相同的结论。最后，作者又利用同样的技术路线分析了CSB缺失的小鼠细胞，发现人类细胞中存在的上述规律在小鼠细胞中并不明显，这些差别可能是CSB缺失在小鼠和人中产生不同表型的原因。这项研究为进一步解析CSB突变导致柯凯因综合征的机制奠定了基础。■推荐人：于明

Nucleic Acids Research | 减数分裂染色质相关的HSF5是粗线期调控和维持男性生育力不可缺少的

减数分裂是雌雄配子发生中的一个重要的生物学过程。在精母细胞的粗线期，许多减数分裂的特异染色体结构和功能调控事件相继完成。然而，关于这一过程背后的分子机制及调控网络目前仍不十分明确。浙江大学医学院附属邵逸夫医院孙斐、占军锋研究团队鉴定出一种新的睾丸特异性蛋白HSF5，该蛋白以依赖于染色质结合的方式，调节雄性减数分裂粗线期的进行(2024年8月20日在线发表，doi: 10.1093/nar/gkae701)。该团队发现HSF5是一种与生精细胞染色质相关的蛋白，其表达始于精母细胞粗线期的早/中期，并持续存在于该阶段。Hsf5 KO成年小鼠表现出雄性不育，精子发生停滞在粗线期中晚期阶段。单细胞测序结果显示，相比于野生型小鼠，Hsf5 KO小鼠的精母细胞转录谱出现了包括 Wee1、Dmc1和Msh5在内的粗线期细胞检查点基因异常高表达的特征。结合CUT&Tag数据进一步发现，受到Hsf5直接靶向调控的基因如Sycp1、Meiob、Msh4等在Hsf5 KO的小鼠中也表现出异常高表达，未呈现逐渐降低的趋势。而在野生型小鼠的粗线期精母细胞中，从粗线期早期到晚期的进程中，Sycp1、Meiob和Msh4的转录水平逐渐降低。Hsf5基因缺失导致精母细胞在减数分裂中停滞，并伴随大量生精细胞凋亡，最终引发雄性不育。■推荐人：朱辉，李朝军