近日，微生物代谢全国重点实验室冯雁团队和上海科技大学孙博、孙亚东团队联合在国际期刊《Molecular Cell》发表了题为“The DdmDE defense system eradicates plasmids by target-centered bidirectional ssDNA loop extrusion and site-specific cleavage”的研究论文。该研究通过单分子操纵、共聚焦成像、结构预测与生物化学等实验手段，系统性地解析了细菌防御系统DdmDE识别并清除外源质粒的动力学分子机制。上海交通大学博士生杨昊及上海科技大学博士生宋晓萱、赵家铮为论文的共同第一作者，冯雁教授与上海科技大学孙博教授、孙亚东教授为共同通讯作者。

细菌防御系统在控制水平基因转移（Horizontal Gene Transfer, HGT）与阻断抗生素耐药性传播的微观“军备竞赛”中发挥着至关重要的作用。作为细菌防御系统的重要组成部分，广泛存在于细菌和古菌（原核生物）中的以核酸内切酶为核心的原核Argonaute（pAgo）系统已成为生命科学领域研究热点。因其无需PAM序列限制，展现出比CRISPR-Cas更广阔的靶标核酸降解范围与环境适应性。2022年，研究人员在霍乱弧菌中发现了一种新型DdmD和DdmE的pAgo防御系统。尽管前期研究已通过结构解析和生化验证，初步构建了DdmE与DdmD的双蛋白协同防御模型，即无核酸酶活性的DdmDE利用guide DNA（gDNA）识别外源DNA，而具有解旋酶与核酸酶活性的DdmD被招募以执行dsDNA的解旋与切割。但DdmE如何精准识别外源质粒？双蛋白如何高效协同？DdmD又如何协调解旋酶和核酸酶活性？这些动态过程背后的分子动力学原理，已成为深入理解细菌免疫多样性，并推动新型生物技术工具开发所亟待攻克的核心科学问题。

研究团队在单分子水平实现了对DdmDE识别并处理DNA过程的实时动态分析，系统解析了DdmDE系统清除外源质粒的分子动力学机制。研究发现，DdmE-gDNA复合物首先敏锐捕捉力学张力诱导的瞬时DNA气泡，利用动力学差异精准识别外源质粒靶点。在靶点锁定后，DdmE随即作为支架快速招募二聚化的DdmD蛋白，促使DdmDE复合体启动双向dsDNA解旋，并通过ssDNA环挤出（loop extrusion）机制展开DNA。随后，暴露出的ssDNA被游离的DdmD分子结合，通过具有5'-G特异性的延迟切割最终实现质粒清除。此外，研究团队还揭示了一种独特的dsDNA解旋与切割模式。

图1. 细菌DdmDE防御系统清除外源质粒的分子机制模型

冯雁团队长期深耕pAgo防御系统研究，前期已系统揭示了嗜热及中温微生物pAgo与靶标核酸的分子识别与活性调控机制，并基于此开发了优于CRISPR系统的超灵敏、多重病毒及肿瘤基因检测新技术。本次研究不仅为深入理解细菌免疫多样性及开发新型生物技术工具提供了重要的理论支撑，更进一步推动了其在生命大健康领域的实际应用。

该研究工作得到了国家重点研发计划、上海市科委重大专项等资助。

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.molcel.2026.04.032