撰文丨十一月
共生细菌中的前噬菌体蛋白（Prophage protein）可以调节真核生物的大分子/含有前噬菌体的细菌共生体。Wolbachia pipientis栖息在世界范围内超过一半的节肢动物的生殖道中，可以通过改变宿主的繁殖而增加共生雌性的相对数量【1】。细胞质不相容（Cytoplasmic incompatibility，CI）是Wolbachia pipientis最常见的一种繁殖策略，影响节肢动物进化、生殖改变等【2】。但前噬菌体蛋白与真核生物中大分子相互作用仍然不甚清楚。为了对此问题进行解析，美国宾夕法尼亚州立大学Seth R. Bordenstein研究组、Rupinder Kaur（第一作者）与其他共同作者合作在Science发文题为Prophage proteins alter long noncoding RNA and DNA of developing sperm to induce a paternal-effect lethality，发现前噬菌体蛋白通过改变长非编码RNA以及DNA诱导父系效应致死的具体分子机制。
细胞质不相容是由两个细胞质不相容因子基因cifA以及cifB所引起，主要是由黑腹果蝇中Wolbachia前噬菌体WO所编码【3-4】。最近的研究表明CifA与CifB蛋白会入侵精子核，并改变组蛋白与鱼精蛋白核蛋白的丰度【5】。但是Cif蛋白是如何影响精子中大分子并影响核蛋白组成的还不得而知。为此，作者们首先进行了体外的实验。为了对CifA分子功能进行解析，作者们使用了机器学习工具CLEAN，鉴定发现CifA是一个位点特异性限制性内切酶，能够切割DNA以及RNA-DNA异源双链核酸分子。
随后作者们纯化了CifA以及CifB，发现CifA能够切割单链DNA、双链DNA以及单链RNA。CifB全长蛋白过长，为此作者们纯化了不包含去泛素酶结构域的CifB-deltaD。CifB-deltaD能够切割ssDNA、dsDNA但是不能切割RNA。CifB中包含一个QxxxY核酸酶结构域。作者们对该结构域进行突变，会导致CifB失去DNase活性。而在CifA中进行QY突变则会导致CifA失去对ssDNA的切割能力，但是不会影响其对dsDNA以及RNA的切割能力。因此，CifA是一个具有DNase以及RNase双重酶活性的蛋白，而CifB则具有DNase酶活性（图1）。
图1 CifA与CifB在体外的限制酶活性验证
进一步地，作者们使用转基因以及细胞化学方法对CifA以及CifB在体内的功能进行检测。作者们发现CifA能够降解具有AAGAG重复序列的长非编码RNA，lncRNA对精子发生的组蛋白-鱼精蛋白转换有重要作用，并在精母细胞中加强细胞质不相容。CifA以及CifB定位在精原细胞和精母细胞的细胞核，因此可能是Cifs作用在AAGAG非编码RNA或者其他与精子生成相关的非编码RNA上影响到下游减数分裂后精子染色质的组织。
在动物中DNA损伤会导致染色质完整性受损，降低雄性可育性以及胚胎不能存活，这可能与细胞质不相容相关。作者们检测发现细胞质不相容会导致DNA片段化增加，在晚期受到细胞质不相容影响的胚胎中进行pH2Av免疫染色发现信号增加，说明胚胎中DNA损伤严重。
之后作者们想知道lncRNA清除与胚胎DNA损伤是否相关。为此，作者们使用了CifA以及CifB突变体形式的蛋白。作者们发现CifA3B突变会导致细胞质不相容现象消失；CifA4B包含突变并不会消除细胞质不相容现象。但通过原位杂交实验，作者们发现CifA3B并不会影响AAGAG lncRNA，但是CifA4B则会降低lncRNA的丰度。CifA3B突变型并不能概括细胞质不相容对组蛋白向鱼精蛋转换的改变，但是CifA4B突变型会导致晚期延迟精子细胞中组蛋白去除并引起成熟精子中鱼精蛋白缺乏，说明了lncRNA清除与胚胎DNA损伤相关。
总的来说，作者们的工作发现前噬菌体蛋白CifA和CifB通过改变长链非编码RNA和DNA导致细胞质不相容的父系效应胚胎致死现象。lncRNA的消除会增强细胞质不相容，从而将DNA损伤与随后精子染色质完整性受损相联系。因此，前噬菌体蛋白与真核生物在配子发生过程中相互作用，从而为共生关系进化以及病媒控制提供了新的思考。
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adk9469
制版人：十一
参考文献
1. L. A. Weinert, E. V. Araujo-Jnr, M. Z. Ahmed, J. J. Welch,Proc. Biol. Sci.282, 20150249 (2015)
2. R. M. Brucker, S. R. Bordenstein,Trends Ecol. Evol.27, 443–451 (2012).
3. J. F. Beckmann, J. A. Ronau, M. Hochstrasser,Nat. Microbiol.2, 17007 (2017).
4. J. D. Shropshire, J. On, E. M. Layton, H. Zhou, S. R. Bordenstein,Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.115, 4987–4991 (2018)
5. R. Kaur, B. A. Leigh, I. T. Ritchie, S. R. Bordenstein,PLOS Biol.20, e3001584 (2022)