摘要：

Nature | 细胞ATP需求诱导线粒体亚群分化与代谢分工机制

线粒体介导ATP的合成和大分子前体的生产，在细胞生长和增殖中有至关重要的作用。其中ATP生成主要依赖于三羧酸循环中间产物的氧化磷酸化反应，而脯氨酸和鸟氨酸的合成则是依赖于还原反应。但线粒体调控这两个相互竞争的代谢途径的机制尚不清晰。近日，美国纽约纪念斯隆凯特琳癌症中心医学部Craig B. Thompson课题组揭示了细胞ATP需求能够诱导线粒体亚群分化与代谢分工(2024年11月6日在线发表，doi: 10.1038/s41586-024-08146-w)。研究发现，在氧化磷酸化(OXPHOS)需求增加时，脯氨酸和鸟氨酸还原合成过程中的限速酶脯氨酸-5-羧酸合成酶(P5CS)聚集成丝状结构，这些P5CS富集的线粒体缺乏ATP合酶和嵴结构，主要进行还原性生物合成。而富含ATP合酶的线粒体嵴结构丰富，专注于ATP的合成。线粒体的隔离和亚群形成由P5CS细丝形成和线粒体融合和分裂循环共同驱动。通过阻碍丝裂霉素介导的融合或达纳明样蛋白-1介导的分裂，线粒体动态变化受到破坏，进而影响了富含P5CS线粒体和富含ATP酶和嵴结构线粒体的分离。如果不能通过线粒体融合和分裂来分离这两个代谢途径，细胞在维持脯氨酸还原合成时会牺牲OXPHOS的能力，在保持适应性OXPHOS时放弃脯氨酸合成。研究证实线粒体的融合和分裂在维持氧化磷酸化反应和还原合成代谢途径中的关键作用，以应对不断变化的营养供应和生物需求。这项研究为探索细胞在营养胁迫下的代谢适应机制提供了新视角，对揭示肿瘤细胞在极端环境下的生存策略有重要启示作用。■推荐人：朱波峰

Nature | 双链RNA(dsRNA)促进mRNA的细胞质转运和基因表达

长非编码RNA(lncRNA)是一大类调节性转录本。研究发现超过70%的基因均能产生反义lncRNA (antisense lncRNA，asRNA)，并且asRNA往往与正义链的蛋白质编码基因存在表达相关性，提示asRNA可能广泛参与了蛋白质编码基因的表达调控。目前已知asRNA可在细胞核内调节基因转录或转运至细胞质调节mRNA翻译。然而，尚有大量转运至细胞质的asRNA的生物学功能和作用机制并不清楚。新近研究表明，asRNA可与对应的正义链mRNA形成RNA双链结构，从而加速mRNA的细胞质转运并促进基因表达(2024年6月19日在线发表，doi：10.1038/s41586-024-07576-w)。具体来说，asRNA通过解旋酶Dbp2与mRNA结合形成双链RNA (dsRNA)；较之于单链RNA(ssRNA)，dsRNA更容易被受体Mex67识别，从而实现mRNA的细胞质转运。并且，由asRNA介导的mRNA细胞质转运在细胞应激等过程中具有重要意义。该研究为人们理解asRNA的生物学功能提供了新线索。asRNA的生成和核外运输或许能够帮助细胞在瞬息万变的环境中调节基因表达，从而快速且精细地调控细胞对外界的适应性。此外，asRNA的异常表达与癌症和神经退行性疾病等重大疾病密切相关，因此该发现也可能为相关疾病的分子病因解析和治疗策略研发提供新思路。■推荐人：宋旭

Nature | Science Translational Medicine | 线粒体基因组操作重要进展

线粒体是人类细胞中唯一具有自身基因组的细胞器。线粒体基因组(mitochondrial DNA，mtDNA)是一个环状双链DNA分子，包含16,596个碱基对，编码37个基因，这些基因分别负责蛋白质、tRNA和rRNA的合成。以点突变为主的mtDNA突变是线粒体病的重要病因，该类疾病是人类遗传病的重要组成部分。2020年，美国David R. Liu团队取得突破性进展，他们基于TALENs技术，利用DddA蛋白实现了线粒体双链DNA的C到T编辑，成功研发了线粒体编辑新工具DdCBE (Nature, 2020, doi: 10.1038/s41586-020-2477-4)。随后，韩国Jin-Soo Kim团队在此基础上引入腺嘌呤脱氨酶TadA，研发了可实现A到G突变的TALEDs工具(Cell, 2024, doi: 10.1016/j.cell.2023.11.035)。然而，对应疾病模型的构建和相关的分子治疗进展相对缓慢。

近期，我国魏文胜团队取得了重要突破。该团队基于前期工作包括基于切口酶(nickase)、脱氨酶(deaminase)和TALENs技术，开发出具有链特异编辑的线粒体编辑工具mitoBE (Nat Biotechnol, 2024, doi: 10.1038/s41587-023-01791-y)。在此基础上，该团队进一步优化mitoBEs，通过在脱氨酶中引入相关突变(如TadA8e-V106W-V28F)，成功降低了脱靶效应，研发了新型线粒体基因组编辑工具mitoABE v2和mitoCBE v2。结合RNA环化技术，这些工具能够稳定地构建动物线粒体病疾病模型(Nature，2025年1月22日在线发表, doi: 10.1038/s41586-024-08469-8)，为人类攻克线粒体病奠定了坚实基础。与此同时，美国Carlos T Moraes团队也取得了重要进展(Sci Transl Med, 2025年1月29日在线发表，doi: 10.1126/scitranslmed.adr0792)。他们利用DdCBE技术，在携带线粒体转运RNA(tRNA)丙氨酸(mt-tRNA^Ala)基因突变的小鼠疾病模型中进行了基因修复。该模型中，m.5024C>T突变破坏了mt-tRNAAla的结构。通过引入补偿性m.5081G>A编辑，成功恢复了tRNA^Ala的二级结构。治疗后，小鼠心脏和肌肉中的mt-tRNA^Ala水平显著恢复，心脏中乳酸水平也有所降低。然而，高剂量治疗组出现了明显的毒性反应，原因是编辑过程中产生了大量的mtDNA脱靶编辑。这些线粒体基因组操作的重要研究进展，为线粒体病的治疗提供了重要线索和新的希望。■推荐人：谷峰

Nature Biotechnology | CRISPR-StAR技术实现复杂体内模型中的高分辨率遗传筛选

基因筛选技术是通过操控基因表达来系统性探索基因功能的重要手段，在肿瘤等复杂疾病的研究中具有不可替代的作用。然而，传统CRISPR-Cas9筛选在体内环境中常因细胞异质性和瓶颈效应而产生高噪声，导致关键基因识别的可靠性较低。为了解决这一难题，奥地利分子生物技术研究所(IMBA)的Ulrich Elling课题组开发了一种新型基因筛选技术——CRISPR-StAR (stochastic activation by recombination)(2024年12月16日在线发表，doi: 10.1038/s41587-024-02512-9)。CRISPR-StAR的核心创新在于通过随机激活sgRNA和内部对照机制，有效克服了细胞生长异质性和基因漂移对实验结果的干扰。在这一技术中，每个单细胞克隆内同时含有“活跃”和“非活跃”两种sgRNA状态，通过随机激活后互为对照，从而排除外部环境变化带来的噪声干扰。研究人员将CRISPR-StAR技术应用于低移植率、高异质性的小鼠黑色素瘤体内模型中，成功识别出与肿瘤生长和BRAF抑制剂耐药性相关的必需基因和肿瘤抑制因子(如线粒体功能相关基因Ndufs7和Timm10)。这些基因在体外筛选中并未表现出相同的重要性，表明体内基因筛选对研究肿瘤微环境下的关键基因具有独特的价值。CRISPR-StAR不仅提高了体内基因筛选的分辨率和准确性，还为肿瘤靶向治疗提供了新的潜在靶点。这一技术的问世，为复杂疾病的精准医学研究开辟了新方向，标志着基因筛选技术迈向高分辨率和低噪声的全新时代。■推荐人：闫冰，李大力

Science | PI4P介导类固样Merlin凝聚并协调Hippo通路调控

Hippo通路是一条高度进化保守，并在调节器官大小、组织稳态、再生和干细胞命运中起到重要作用的信号通路。尽管Hippo通路上游没有特定的受体与配体，却仍可以接受多种信号的输入，然而其上游调节因子如何整合多种信号的机制尚不清楚。美国德克萨斯大学西南医学中心潘多加实验室利用遗传学、细胞生物学和生物化学等综合方法，探究了Hippo通路的关键上游调节器Merlin的类固态凝聚性质在Hippo通路调节中的重要作用，并揭示了Merlin凝聚物形成与解体的调节过程(2024年8月9日在线发表，doi: 10.1126/science.adf4478)。根据荧光成像实验所示，Merlin在极化的果蝇上皮细胞顶端细胞皮层存在两种不同的定位：一部分动态Merlin位于细胞-细胞连接处，另一部分非动态Merlin则出现在顶端细胞皮层中部，其可以形成固态凝聚物，对Merlin在Hippo通路中执行功能至关重要。Merlin内侧顶端凝聚物的形成需要Merlin与质膜上的磷脂酰肌醇-4-磷酸(PI4P)直接结合。而Hippo通路另一个上游调节因子 Pez可通过局部增加PI4P浓度来促进 Merlin 的内侧顶端凝聚。相反，细胞骨架张力则会增加Merlin 凝聚物从固态到液态的转变和分解。Merlin凝聚物的类固态性质增加了细胞对外部扰动(如低渗透和缺氧)的抵抗力。■推荐人：陈喆，阎言