近日，本室吴更教授团队与武汉大学陈实、王连荣教授团队合作阐明了细菌利用DndFGH复合物限制外源细菌非硫修饰DNA侵染，保护自身硫修饰基因组的分子机理。该研究成果以“The functional coupling between restriction and DNA phosphorothioate modification systems underlying the DndFGH restriction complex”为题发表在《Nature Catalysis》期刊。吴更教授与陈实、王连荣教授为并列通讯作者。

在某些细菌（如大肠杆菌B7A菌株）和古菌中，存在着一种特殊的表观遗传修饰—DNA磷硫酰化修饰（又称DNA硫修饰），即DNA主链磷酸骨架上一个非桥联氧原子被替换为硫原子。DNA磷硫酰化修饰可以与dndFGH基因簇所编码的DndF、DndG和DndH蛋白相偶联，对细菌提供防御性保护，但其防御保护机制目前尚不清楚。

在本研究中，首先发现DndF、DndG和DndH三个蛋白可以形成一个DndFGH复合物。该复合物对非磷硫酰化修饰DNA的缺刻酶活性具有特异性，限制外源非磷硫酰化修饰DNA的侵入。除此之外，发现DndF蛋白表现出ATP水解酶（ATPase）活性，若突变DndF上对ATPase活性起关键作用的Walker A motif，则会破坏DndFGH复合物的DNA缺刻酶活性。通过解析X射线晶体结构，发现DndG是一个含有helix-turn-helix (HNH) motif的DNA结合蛋白，并通过非变性凝胶电泳实验证实了其结合DNA的能力。随后，通过晶体结构解析和生化功能实验分析，发现DndH亚基为DndFGH复合物提供缺刻DNA以及在DNA上移位（translocation）的活性；并且DndH的C端结构域也有ATPase活性，通过利用水解ATP所释放的能量在DNA上移位。通过荧光共振能量转移（FRET）实验发现DndFGH复合物在溶液中可以采取多种构象，与DNA和ATP的结合会促使DndFGH复合物的构象转换。

有趣的是，DNA磷硫酰化修饰可以下调DndFGH复合物的活性，与非磷硫酰化DNA相比，磷硫酰化修饰DNA存在时，DndH的ATPase活力以及转位酶活力均大幅降低，从而使DndFGH复合物不会缺刻细菌自身的磷硫酰化修饰DNA，实现对“非我”的防御和对“自我”的保护。综上所述，目前所了解的DNA磷硫酰化修饰的功能包括限制外源硫修饰细菌的DNA向非硫修饰细菌转移、抵御噬菌体对细菌的侵染（Nat Commun, 2018;2022）以及限制外源非硫修饰细菌的DNA向硫修饰细菌转移（本工作）。

图 已知的DNA硫修饰功能

在前期研究中，吴更团队先后发现了催化DNA硫修饰第一步反应的半胱氨酸脱硫酶DndA的晶体结构（PLoS One, 2012）、细菌采用SBD结构域识别DNA硫修饰的结构机理（Nat Commun, 2018）、单链DNA硫修饰系统蛋白SspB、SspE晶体结构（Nat Microbiol, 2020）、单链DNA硫修饰系统的半胱氨酸脱硫酶SspA蛋白晶体结构（mBio, 2020）、古菌中参与双链DNA硫修饰的DndE晶体结构（mBio, 2022）、细菌通过自身硫修饰DNA激活SspE缺刻噬菌体DNA的结构机理（Nat Commun, 2022）。本文是该团队在DNA硫修饰领域系列研究的延续和拓展。

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41929-022-00884-2