近日，国际权威期刊《Nature Communications》发表了我室吴更教授团队合作研究论文“Nicking mechanism underlying the DNA phosphorothioate-sensing antiphage defense by SspE”。该研究阐明了链霉菌等细菌通过DNA上的磷硫酰化修饰激活其SspE蛋白的核酸酶活性，对侵入的噬菌体DNA进行缺刻，从而抵抗噬菌体侵染。吴更教授与武汉大学王连荣教授、陈实教授为共同通讯作者。

DNA磷硫酰化修饰包括两种类型：由dndABCDE基因簇编码蛋白介导的双链I型修饰和由sspABCD基因簇编码蛋白介导的单链II型修饰。SspE是sspABCD基因簇近旁sspE基因编码的核酸酶，长度为700-800氨基酸，具有GTPase活性的N端结构域（NTD）和缺刻核酸酶活性的C端结构域（CTD）。

该研究首先通过解析链霉菌SspE的CTD结构域的2.7埃分辨率晶体结构和全长蛋白的3.4埃分辨率晶体结构，发现其NTD和CTD结构域分别形成独立折叠的三级结构，两者之间由一段较短的loop连接，并非紧密结合。SspE的NTD结构域含有DGQQR motif，识别并水解GTP。而CTD结构域含有HNH motif，可以使共价闭环（covalently closed circular）DNA缺刻为开环（open circular）DNA，将SspE-CTD上的HNH motif进行突变会使其失去对噬菌体侵染的抵御功能。然后，通过分子对接计算与定点突变体的GTPase酶活性实验，发现SspE通过NTD结构域表面上一个较为疏水的结合口袋识别细菌磷硫酰化修饰DNA，对这个硫化DNA结合口袋上的氨基酸残基进行突变会破坏SspE的GTPase酶活性和对噬菌体侵染的抵御功能。通过非变性凝胶电泳迁移实验，发现SspE的CTD结构域可以与噬菌体DNA结合，而将SspE-CTD上一个保守的、带正电荷的凹陷表面上的重要残基进行突变会破坏SspE与噬菌体DNA的结合，使SspE失去对噬菌体侵染的防御功能。除此之外，SspE的CTD结构域对DNA的结合依赖于其NTD结构域对于GTP的水解。

图 细菌硫化修饰基因组DNA激活SspE核酸酶活性，抵御噬菌体侵染的机理

本文是吴更团队自2018年《Nature Communications》上发表的细菌识别DNA硫化修饰的结构机理、2020年《Nature Microbiology》上发表的II型DNA硫化修饰的SspB和SspE结构、同年《mBio》上发表的II型DNA硫化修饰的SspA结构、2022年《mBio》上发表的I型DNA硫化修饰的DndE结构等系列研究工作的延续和扩展。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-022-34505-0