Nat Comm | 武汉大学陈实组发现古菌中新型依赖DNA
发布时间：2019-05-23 22:33:23 来源：自考网责编 | 兮
近日，武汉大学药学院陈实课题组在Nature Communications在线发表了题为A new type of DNA phosphorothioation-based antiviral system in archaea的研究成果【1】，揭示了古菌中新型依赖DNA磷硫酰化的抗病毒系统。 这是陈实课题组在前期鉴定广泛存在、发掘新防御系统与揭示新特征功能等工作基础上【2】，进一步将DNA磷硫酰化系统拓展到了新古菌领域。
细菌dndABCDE基因簇能用硫原子取代DNA骨架上的非桥联氧原子，形成序列特异性、空间构象专一性的磷硫酰化修饰。以往细菌中DNA磷硫酰化修饰与DndFGH蛋白组成“限制-修饰”系统可以降低外源性质粒DNA进入宿主的效率。陈实课题组从6个古菌入手，利用质谱和单分子实时测序发现不同古菌具有修饰序列多样性，在同一个宿主中磷硫酰化同时以单链和双链修饰混杂形式存在，与细菌中要么单链要么双链的单一修饰不同。在古菌中发现了一组新型的pbeABCD基因簇，能够与DNA磷硫酰化修饰系统组成古菌的抗病毒防御系统，将DNA磷硫酰化限制-修饰的功能从抵御外源性质粒DNA扩展到抗病毒噬菌体。引人注意的是PbeABCD抵御病毒入侵的功能依赖古菌基因组磷硫酰化修饰的激活，一旦基因组上丧失磷硫酰化修饰，PbeABCD的防御功能随之消失。这与以往发现的依赖蛋白-蛋白互作而发挥防御功能的机制不同，代表一种新型的依赖于DNA表观修饰的防御机制。古菌是最古老的生命体，与细菌、真核生物构成生命的“三域系统”，是一种独特的生命形式。该成果不仅深化了对DNA磷硫酰化修饰特征和生物学意义的认识，更将磷硫酰化系统的研究从细菌域拓展了到古菌域；丰富了其广泛分布性，并有助于解析其起源与进化，暗示该系统可能在远古时代就已存在；深化了微生物防御系统多样性和复杂性的认识，为理解病毒-宿主之间的“军备竞赛”在塑造原核生物基因组中的重要性提供了新的线索。
陈实课题组之前就期望解析细菌限制-修饰防御系统之间的关系，来探究细菌抵御外来入侵的防御机制。细菌中代表性的甲基化和磷硫酰化限制-修饰系统具有完全不同的基因组成、生化机制、化学结构，一直被认为是相互独立的防御体系。他们解析了这两套细菌防御体系究竟是独立还是协同作用的：证实了这两种看似不相关的细菌DNA修饰系统 — DNA碱基上的6mA甲基化修饰和DNA骨架上的磷硫酰化修饰 （PS） — 能够识别相同的DNA核心序列，产生一种d (GPS6mATC) 磷硫酰-甲基化的复合双修饰。通过单分子实时测序技术对甲基化和磷硫酰化修饰的分析，进一步揭示了两种修饰系统之间在基因组水平的相互影响，而且DNA甲基化修饰可与DndFGH限制构成一套复合的限制-修饰系统。这些结果说明DNA限制-修饰系统之间存在着复杂的相互作用，展现出细菌不同防御系统之间的相互协作关系【3】。
图2. 细菌磷硫酰化－甲基化限制修饰协同防御新系统。
陈实课题组还与由德林教授合作确定并优化了单分子实时测序对DNA磷硫酰化的识别，并以海洋弧菌FF75为模型对DNA磷硫酰化修饰位点进行了基因组水平的精细鉴定，发现了一系列独特的新特征：基因组磷硫酰化修饰序列特异性发生在CPSCA保守核心，并且是特征性的DNA单链修饰；DNA磷硫酰化修饰在基因组上是以部分修饰的状态存在，即基因组DNA只有约14%的CCA位点上存在修饰，表明DNA磷硫酰化修饰被严谨调控；特定位点的磷硫酰化动态修饰，即在不同细胞的同一个修饰位点，有的发生磷硫酰化、有的没有修饰。这一工作揭开了细菌DNA磷硫酰化在基因组水平修饰和分布特征的面纱，并解析了其在基因组上动态修饰的独特特征【4】。
有了这些基因组水平磷硫酰化的精确位置信息，可以直接比对该修饰能否影响对应基因的转录。陈实课题组与Sang Yup Lee教授合作结合转录组并对照相应基因上的修饰位点、体外转录，发现修饰的存在能够影响特定基因转录的效率，阐明DNA磷硫酰化修饰可调控基因的转录。联合表观组、基因组、转录组、代谢组多组学分析，发现一株荧光假单胞菌pf0-1中孤儿磷硫酰化修饰基因的缺失导致细胞内氧化压力升高，细胞代谢物如脯氨酸、甲硫氨酸等与氧胁迫相关的代谢物水平显著变化，表明DNA磷硫酰化修饰参与维持细胞的氧化-还原动态平衡。由此揭示除了组成限制-修饰系统外，DNA磷硫酰化在进化过程中还获得了重要的生物学功能 – 影响细胞全局代谢以及调节基因转录。该研究展现出了细菌磷硫酰化系统的进化及功能多样性，深化了对其生物学意义的认识【5】。
基于在微生物表观遗传领域的系列工作，陈实教授受邀在欧洲微生物协会久负盛名的FEMS Microbiology Reviews全面综述了微生物DNA磷硫酰化表观遗传领域的发现、生理生化及生物学功能研究的进展【6】；还发展和应邀展望了微生物基因组编辑修饰系统及其在合成生物学、合成基因组学、疾病模型等的进展及应用【7-13】。
综上，陈实课题组相继发掘了细菌DNA磷硫酰化－甲基化的相互协作，拓展了古菌域中依赖该表观修饰的抗病毒新机制，揭示了其在基因组动态修饰的新特征及影响细胞代谢及基因表达的新功能等，阐明微生物DNA磷硫酰化是一种广泛跨域分布的多功能性表观修饰，并与其它防御系统协作而组成“更高层级”的防御网络。这些系列工作，解答了微生物表观遗传领域的核心科学问题，深化了对该领域的认识，拓展到了生命三域系统古菌域，同时还促进了其在合成生物学、基因组编辑修饰及基因组学等相关学科的发展和应用。
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-019-09390-9
制版人：珂
参考文献
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