本期导读

1. 彗星大气中的铁和镍原子不及太阳丰富

2. 星际彗星2I/Borisov中的气态原子镍

3. 具有状态到状态超冷化学的统计动力学的精确测试

4. 拓扑绝缘体中可调谐非整数高次谐波的产生

5. 酰胺合成连接酶的发现，表征和工程

6. 北方森林越冬火灾

7. 单分子分辨率的体细胞突变景观

8. 小鼠前额叶皮层代表学习的分类规则

9. 氯法齐明广泛抑制包括SARS-CoV-2在内的冠状病毒

10. 双特异性IgG中和SARS-CoV-2突变体并防止其在小鼠中逃逸

11. PCSK9的体内CRISPR碱基编辑可持久降低灵长类动物的胆固醇

12. 不同的裂变特征预测线粒体降解或生物发生

13. 神经元增强子是DNA单链断裂修复的热点

14. VII型分枝杆菌分泌系统的结构和动力学

15. 结合端粒DNA的人端粒酶全酶的结构

16. 端粒重复合成几个步骤中端粒酶的结构

17. 具有NOS桥的赖氨酸-半胱氨酸氧化还原开关调节酶功能

封面：构成蛋白质的氨基酸决定了其结构和功能。但是氨基酸残基之间的交联会引入其他化学修饰，从而影响蛋白质在不同生理条件下的行为方式。最常见的联系是在两个硫原子之间，称为二硫化物。在本周的问题中，Kai Tittmann和他的同事报告了半胱氨酸和赖氨酸残基之间形成的迄今尚未确定的联系，涉及氮和硫通过氧原子连接在一起（如图所示，氮为蓝色，氧为红色，硫为黄色）。研究人员发现，这个N–O–S桥充当调节性氧化还原开关，控制淋病奈瑟氏球菌（引起淋病的细菌）中转醛缩酶的活性。该团队还对蛋白质数据库中的结构进行了一些研究，并建议在许多其他蛋白质家族中也可能发现N–O–S连接。

7. 单分子分辨率的体细胞突变景观

Somatic mutation landscapes at single-molecule resolution

体细胞突变驱动癌症的发展，并可能导致衰老和其他疾病。尽管它们很重要，但检测仅存在于单细胞或小克隆中的突变是比较困难的事情，这使对体细胞诱变的知识限制在少数组织中。在这里，为了克服这些限制，作者开发了nanorate测序（NanoSeq），这是一种双链测序方案，错误率低于来自细胞群的单个DNA分子中每十亿个碱基对的五个错误。该速率比典型的体细胞突变负荷低两个数量级，从而能够独立于克隆性研究任何组织中的体细胞突变。作者使用这种单分子敏感性来研究跨多个组织的非分裂细胞中的体细胞突变，将干细胞与分化的细胞进行比较，并研究在没有细胞分裂的情况下的诱变。尽管成熟的血细胞经历了相当多的分裂，但血液和结肠中的分化细胞显示出与其相应干细胞非常相似的突变负荷和特征。然后，作者表征了有丝分裂后神经元和多克隆平滑肌的突变情况，证实了神经元在整个生命中以恒定速率积累体细胞突变而无需细胞分裂，其速率与有丝分裂活性组织相似。总之，作者的结果表明，独立于细胞分裂的突变过程是体细胞诱变的重要贡献者。作者期望能够可靠地检测单个DNA分子中的突变的能力可以改变作者对体细胞诱变的理解，并能够对大规模队列进行非侵入性研究。

8. 小鼠前额叶皮层代表学习的分类规则

Mouse prefrontal cortex represents learned rules for categorization

对感觉刺激进行分类的能力对于动物在复杂环境中的生存至关重要。记忆类别而不是单个样本可以实现更大的行为灵活性并且在计算上是有利的。在哺乳动物新皮层的几个区域发现了显示类别选择性的神经元，但前额叶皮层似乎在这方面具有突出的作用。具体而言，在对分类任务进行广泛训练的灵长类动物中，前额叶皮层中的神经元快速灵活地代表了学习的分类。然而，这些表征如何首先出现在幼稚动物身上仍未得到探索，目前尚不清楚灵活的表示是否逐渐建立为语义记忆的一部分，或者在任务执行过程中或多或少地立即分配.在这里，作者通过反复成像小鼠内侧前额叶皮层中的单个细胞来研究整个学习过程中神经元类别表示的形成。作者表明，小鼠很容易学习基于规则的分类，并推广到新的刺激。在学习过程中，前额叶皮层中的神经元在获得类别选择性方面表现出不同的动态性，并且在稍后的规则转换过程中有区别地参与。神经元的一个子集选择性地和独特地响应类别并反映泛化行为。因此，在学习期间逐渐获得小鼠前额叶皮层中的类别表示，而不是临时招募。这个渐进的过程表明，内侧前额叶皮层中的神经元是视觉类别的特定语义记忆的一部分。

 9. 氯法齐明广泛抑制包括SARS-CoV-2在内的冠状病毒

Clofazimine broadly inhibits coronaviruses including SARS-CoV-2

在2003年出现严重急性呼吸系统综合症（SARS）和2012年出现中东呼吸综合征（MERS）之后，新型冠状病毒肺炎大流行是本世纪第三次由冠状病毒引起的人畜共患疾病爆发。冠状病毒的治疗选择是有限。在这里，作者显示氯法齐明-一种具有良好安全性的抗麻风药物3-具有针对几种冠状病毒的抑制活性，并且可以在一系列体外系统中拮抗SARS-CoV-2和MERS-CoV的复制。作者发现这种已被美国食品和药物管理局批准的分子抑制由病毒刺突糖蛋白介导的细胞融合，以及病毒解旋酶的活性。在SARS-CoV-2发病机理的仓鼠模型中预防性或治疗性施用氯法齐明导致肺中病毒载量降低和粪便中病毒脱落，并且还减轻了与病毒感染相关的炎症。氯法齐明和瑞姆昔韦的组合在体外和体内表现出抗病毒协同作用，并限制病毒从上呼吸道脱落。口服生物可利用且制造相对便宜的氯法齐明是门诊患者治疗的有吸引力的临床候选药物，并且当与瑞德西韦联合用于治疗住院的COVID-19患者时，特别是在成本是一个重要因素或专业医疗设施有限的情况下。作者的数据提供的证据表明，氯法齐明可能在控制当前的COVID-19大流行中发挥作用，并且可能更重要的是处理未来可能出现的冠状病毒疾病。

 10. 双特异性IgG中和SARS-CoV-2突变体并防止其在小鼠中逃逸

Bispecific IgG neutralizes SARS-CoV-2 variants and prevents escape in mice

靶向SARS-CoV-2刺突蛋白的受体结合结构域（RBD）的中和抗体是针对COVID-19的最有希望的方法之一。已经开发了双特异性IgG1样分子（CoV-X2）。在C121和C135的基础上，来自已从COVID-19中回收的供体的两种抗体。在这里，作者显示CoV-X2同时结合RBD上的两个独立位点，并且与其亲本抗体不同，阻止可检测的刺突结合病毒的细胞受体，血管紧张素-转化酶2（ACE2）。此外，CoV-X2中和野生型SARS-CoV-2及其关注的变体，以及由亲本单克隆抗体产生的逃逸突变体。作者还发现，在肺部炎症的SARS-CoV-2感染小鼠模型中，CoV-X2保护小鼠免于疾病并抑制病毒逃逸。因此，通过IgG样双特异性抗体同时靶向非重叠RBD表位是可行和有效的，并且结合了抗体混合物与单分子方法的优点。

 11. PCSK9的体内CRISPR碱基编辑可持久降低灵长类动物的胆固醇

In vivo CRISPR base editing of PCSK9 durably lowers cholesterol in primates

基因编辑技术，包括CRISPR-Cas核酸酶和CRISPR碱基编辑器，有可能永久修饰患者的致病基因。在非人灵长类动物的靶器官中进行持久编辑的证明是在临床试验中将基因编辑器体内施用于患者之前的关键步骤。在这里，作者证明使用脂质纳米粒子在体内递送的CRISPR基础编辑器可以有效且精确地修饰活食蟹猴（Macaca fascicularis）中的疾病相关基因。作者观察到单次输注脂质纳米颗粒后肝脏中PCSK9的几乎完全敲低，同时PCSK9和低密度脂蛋白胆固醇的血液水平分别降低了约90%和约60%；所有这些变化在单剂量治疗后至少保持稳定8个月。除了支持降低低密度脂蛋白胆固醇和治疗动脉粥样硬化性心血管疾病（全球主要死亡原因）的“一劳永逸”方法外，作者的研究结果为CRISPR基础编辑器如何有效应用于肝脏和其他器官中治疗靶基因的精确单核苷酸变化提供了概念验证。

 12. 不同的裂变特征预测线粒体降解或生物发生

Distinct fission signatures predict mitochondrial degradation or biogenesis

线粒体分裂是一个高度调节的过程，当被破坏时，可以改变代谢，增殖和凋亡。其失调与神经退行性疾病，心血管疾病和癌症有关。裂变机制的关键组成部分包括内质网和肌动蛋白，它们在发动蛋白相关蛋白1（DRP1）通过衔接蛋白与线粒体外膜结合之前引发收缩，以驱动分裂。在线粒体生命周期中，裂变使新线粒体的生物发生和通过线粒体自噬清除功能失调的线粒体。目前的裂变调节模型无法解释如何决定这些双重命运。然而，揭示命运决定因素是具有挑战性的，因为裂变是不可预测的，并且线粒体形态是异质的，具有低于衍射极限的超微结构特征。在这里，作者使用活细胞结构照明显微镜来捕获线粒体动力学。通过分析非洲绿猴Cos-7细胞和小鼠心肌细胞中的数百个裂变，作者发现了两种功能和机械上不同类型的裂变。在外围的分裂使得受损的物质能够脱落成用于线粒体自噬的较小的线粒体，而在中区的分裂导致线粒体的增殖。两种类型均由DRP1介导，但内质网和肌动蛋白介导的预收缩和衔接子MFF仅控制中区裂变。外周裂变之前是溶酶体接触，并由线粒体外膜蛋白FIS1调节。这些不同的分子机制解释了细胞如何独立调节裂变，导致不同的线粒体命运。

13. 神经元增强子是DNA单链断裂修复的热点

Neuronal enhancers are hotspots for DNA single-strand break repair

DNA修复中的缺陷经常导致神经发育和神经退行性疾病，强调了DNA修复在长寿命的有丝分裂后神经元中的特殊重要性。细胞基因组不断受到内源性DNA损伤的冲击，但令人惊讶的是，关于在神经元中累积的病变的身份以及它们是在整个基因组中还是在特定基因座处累积的知之甚少。在这里，作者显示有丝分裂后神经元在基因组内的特定位点积累意外高水平的DNA单链断裂（SSB）。全基因组图谱显示SSB位于CpG二核苷酸和DNA去甲基化位点处或附近的增强子内。这些SSB由PARP1和XRCC1依赖机制修复。值得注意的是，依赖XRCC1的短补丁修复的缺陷会增加神经元增强子的DNA修复合成，而长补丁修复的缺陷会减少合成。因此，神经元增强子中高水平的SSB修复可能由短贴片和长贴片过程维持。这些数据提供了位点和细胞类型特异性SSB修复的第一个证据，揭示了神经元中局部和连续DNA断裂的意外水平。此外对SSB修复缺陷患者中发生的神经退行性表型进行了解释。

 14. VII型分枝杆菌分泌系统的结构和动力学

Structure and dynamics of a mycobacterial type VII secretion system

结核分枝杆菌是人类最重要的传染病之一，每年导致140万人死亡。称为VII型分泌系统（T7SS）的专门蛋白质转运系统-是该病原体毒力的核心，也是跨越分枝杆菌细胞包膜的营养和代谢物转运的关键。在这里，作者介绍完整T7SS的结构M的内膜复合物。肺结核。作者展示了如何通过MycP5蛋白酶将含有165个跨膜螺旋的2.32-MDa ANSYS-5组装重组并稳定为二聚体三聚体。MycP5的三聚体覆盖由三个EccB5二聚体形成的中央周质圆顶状腔室，其中MycP5的蛋白水解位点朝向腔体。该室建议中央分泌和处理管道。没有MycP5的复合物显示EccB5周质组装的破坏和增加的灵活性，这突出了MycP5对于复杂完整性的重要性。在EccB5–MycP5室下方，EccC5 ATPase的二聚体组装成三束，每组四个跨膜螺旋，它们共同密封潜在的中央分泌通道。单个胞质EccC5结构域采用两种不同的构象，可能反映了不同的分泌状态。作者的工作提出了一种先前未描述的蛋白质转运机制，并提供了一种结构支架来帮助开发针对这种主要人类病原体的药物。

 15. 结合端粒DNA的人端粒酶全酶的结构

Structure of human telomerase holoenzyme with bound telomeric DNA

端粒酶在染色体末端添加端粒重复序列以补偿由不完整的基因组末端复制引起的端粒丢失。在人类中，端粒酶在胚胎发生和癌症中上调，并且损害端粒酶功能的突变导致疾病。人类端粒酶的先前结构分辨率为8Å 揭示了脊椎动物特异性组成和结构，其包含通过端粒酶RNA灵活地束缚于H和ACA（下文称为H/ACA）盒核糖核蛋白（RNP）叶的催化核心。高分辨率的结构信息对于开发可以有效调节端粒酶活性的治疗方法是必要的，以作为针对癌症和疾病的治疗方法。在这里，作者使用低温电子显微镜来确定人类端粒酶全酶结合到端粒DNA在亚4Å 分辨率，揭示了端粒酶活性位点中关键的DNA和RNA结合界面以及改变端粒酶活性的突变位置。作者在全酶中鉴定出一个组蛋白H2A–H2B二聚体，该二聚体与必需的端粒酶RNA基序结合，这表明组蛋白在端粒酶RNA的折叠和功能中的作用。此外，真核H/ACA RNP的这种结构揭示了保守RNA和蛋白质基序的分子识别，以及对于理解导致疾病的许多突变的分子病理学至关重要的相互作用。作者的发现提供了人类端粒酶组装和活性位点的结构细节，这为开发靶向该酶的治疗剂铺平了道路。

 16. 端粒重复合成几个步骤中端粒酶的结构

Structures of telomerase at several steps of telomere repeat synthesis

端粒酶在含有非编码RNA（称为端粒酶RNA（TER））的逆转录酶中是独特的，所述非编码RNA包括用于在大多数真核染色体的3'末端持续合成富含G的端粒DNA重复的短模板。端粒酶保持基因组完整性，其活性或失调是人类寿命，干细胞更新和癌症进展的关键决定因素。以前的低温电子显微镜结构已经建立了四膜虫和人类端粒酶的总体结构，蛋白质成分和化学计量，但是作者对DNA-蛋白质和RNA-蛋白质相互作用的细节以及所涉及的机制和募集的理解仍然有限。在这里，作者报道了在核苷酸添加的不同步骤中具有端粒DNA的活性四膜虫端粒酶的低温电子显微结构。端粒酶逆转录酶（TERT），TER和DNA之间的相互作用揭示了确定5'和3'模板边界，处理模板-DNA双链体以及在核苷酸添加过程中分离产物链的结构基础。TERT和端粒酶蛋白p50（人TPP17,8的同源物）之间的结构和结合界面定义了端粒酶激活和募集到端粒所需的保守相互作用。端粒酶La相关蛋白p65重塑TER的几个区域，桥接5'和3'末端以及保守的假结，以促进TERT-TER催化核心的组装。

 17. 具有NOS桥的赖氨酸-半胱氨酸氧化还原开关调节酶功能

A lysine–cysteine redox switch with an NOS bridge regulates enzyme function

半胱氨酸残基之间的二硫键是蛋白质中重要的翻译后修饰，对蛋白质结构和稳定性起关键作用，如酶中的氧化还原活性催化基团或控制蛋白质功能的变构氧化还原开关。除了形成二硫键，半胱氨酸残基易受活性氧的氧化，因此不仅对这些物质的清除至关重要，而且对生物和病理环境中的细胞信号传导和通讯也至关重要。氧化的半胱氨酸物质具有高反应性并可形成共价结合物。例如，酪氨酸存在一些氧化还原酶的活性位点。然而，据作者所知，以前没有证明具有除二硫化物以外的共价交联的调节开关。在这里，作者报告发现半胱氨酸和赖氨酸残基之间的共价交联与NOS桥，其作为淋病奈瑟氏球菌（引起淋病的病原体）的转醛醇酶中的变构氧化还原开关。处于氧化和还原状态的蛋白质的X射线结构分析揭示了加载的弹簧机制，其涉及氧化还原活化时的结构松弛，其从蛋白质表面的变构氧化还原开关传播到蛋白质内部的活性位点。这种松弛导致关键催化残基的重新配置，并引起几个数量级的酶活性增加。氧化还原开关在来自奈瑟氏球菌科其他成员的相关转醛醇酶中高度保守；例如，它存在于脑膜炎奈瑟菌（一种导致儿童脑膜炎和败血症的主要原因的病原体）的转醛醇酶中。作者调查了蛋白质数据库，发现NOS桥存在于生命各个领域（包括智人）的不同蛋白质家族中，并且它通常位于催化或调节热点。作者的研究结果将为蛋白质和多肽的设计策略，以及开发针对赖氨酸-半胱氨酸氧化还原开关的新型药物和抗体提供指导。