保守核酸酶YhaM介导环境DNA摄取的关键作用及其在革兰氏阳性菌自然转化中的机制研究

本研究针对细菌通过环境DNA摄取获取新性状的分子机制尚不明确的问题，聚焦枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)中保守的3'-脱氧核糖核酸酶YhaM。研究人员通过结构生物学和生化分析发现YhaM在二价阳离子存在下形成六聚体，其保守的寡核苷酸结合域(OB domain)增强底物结合能力。基因敲除实验表明YhaM缺失会严重损害质粒和基因组DNA的摄取效率，但对噬菌体SPP1介导的双链DNA转导无影响。该研究揭示了YhaM在自然转化过程中单链DNA(ssDNA)成熟的关键作用，且该功能在金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)等革兰氏阳性病原体中保守存在，为理解抗生素耐药性传播提供了新视角。

　　

在微生物世界中，细菌通过水平基因转移(HGT)获取新性状的能力就像一场进化竞赛的"作弊码"，其中自然转化(即直接从环境中摄取DNA)是最令人着迷的机制之一。这种现象不仅推动微生物进化，更在临床环境中助长了抗生素耐药性的传播。尽管已知这一过程需要DNA加工，但科学家们对其中分子元件的认识仍存在巨大空白，特别是单链DNA(ssDNA)中间体的处理机制仍是个"黑箱"。

马克斯·普朗克陆地微生物研究所等机构的研究团队将目光投向枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)中的YhaM蛋白。这个由LexA调控的3'-外切核糖核酸酶在革兰氏阳性菌中高度保守，但此前仅被认为参与RNA代谢。通过系统性研究，团队意外发现YhaM实际上是自然转化过程中的关键"守门人"，专门负责处理进入细胞的单链DNA。这项发表在《Nucleic Acids Research》的研究不仅重新定义了YhaM的生物学功能，更为理解病原菌获得耐药性的分子途径提供了新靶点。

研究人员采用多学科技术手段展开攻关：通过基因敲除和回补实验评估YhaM对自然转化的影响；利用生物膜层干涉技术(BLI)和微量热泳动(MST)分析蛋白-核酸相互作用；采用冷冻电镜(cryo-EM)解析YhaM的六聚体结构；结合质谱光度法(MP)研究蛋白寡聚化状态；建立体外核酸酶活性检测体系验证底物特异性。这些技术相互印证，构建出YhaM功能的全景图。

研究结果部分呈现了系列重要发现：

"YhaM的缺失导致转化能力急剧下降"通过系统的转化效率实验证明，ΔyhaM菌株对染色体DNA和质粒DNA的摄取能力显著降低，但对噬菌体SPP1介导的dsDNA转导不受影响。荧光显微镜观察显示YhaM-mNG在感受态细胞中形成更多荧光聚焦点，暗示其参与自然转化过程。

"YhaM是一种特异性针对ssDNA的3'-脱氧核糖核酸酶"通过BLI和MST分析发现YhaM对ssDNA的结合亲和力(KD=500 nM)远高于dsDNA和ssRNA。酶活实验证实其能高效降解ssDNA和3'突出端，但无法切割5'突出端或dsDNA，确立了其3'-脱氧核糖核酸酶的特性。

"YhaM在溶液中形成六聚体"通过SEC和MP分析发现YhaM在Mg²⁺存在时主要形成210 kDa的六聚体。冷冻电镜结构解析显示其具有D3对称性的环状结构，活性位点含有两个Mg²⁺离子，由扩展的HD基序(H163-H193-D194-H250-H251-D274)协调。

"二价阳离子通过HD基序协调对YhaM寡聚化至关重要"点突变实验表明HD结构域突变体YhaM^H193A/D194A丧失寡聚化能力，而OB结构域突变体YhaM^W51A和YhaM^Y76A仍能形成六聚体但DNA结合能力下降，揭示两个结构域的协同作用机制。

"YhaM在体内作用于染色体DNA"过表达实验显示野生型YhaM引起细胞异常伸长和染色体凝聚，且YhaM-mNG聚焦点与DAPI染色区域共定位，证实其体内DNA结合活性。值得注意的是，来自金黄色葡萄球菌的SaYhaM能完全回补枯草芽孢杆菌ΔyhaM的表型，暗示该功能的广泛保守性。

这项研究从根本上重新定义了YhaM蛋白的生物学功能，将其从"RNA代谢参与者"提升为"自然转化过程的核心调控因子"。研究提出的工作模型指出：在自然转化过程中，YhaM作为"分子剪刀"对进入胞质的ssDNA进行3'端加工，为后续重组或质粒复制做好准备。这一功能独立于RecA重组系统，解释了为何YhaM缺失会影响质粒(RecA非依赖)和染色体DNA(RecA依赖)的摄取。

特别值得注意的是，YhaM同源物在金黄色葡萄球菌等病原体中的功能保守性，为临床耐药性防控提供了新思路。由于许多致病菌依赖自然转化获取耐药基因，针对YhaM的抑制剂可能成为阻断耐药性传播的"分子屏障"。此外，YhaM独特的六聚体组装机制和底物特异性，也使其成为研究蛋白质-核酸相互作用的理想模型。

Juri HanBmann、Jan Pané-Farré和Rebecca Hinrichs等研究者通过这项工作，不仅填补了细菌DNA摄取机制的知识空白，更开辟了抗感染治疗的新途径。随着抗生素耐药危机日益严峻，理解这类"基因偷窃"的分子细节显得尤为重要，而YhaM的发现无疑为这场攻防战提供了关键武器。