陈实/王连荣系列Nature子刊逐级揭秘多样DNA磷硫酰化修饰防御系统及硫元素掺入DNA骨架的化学生物学途径

iNature · 公众号 · · 2025-01-25 09:49

正文

作为生命的物质基础和遗传信息的载体，DNA 由众所周知的碳、氢、氧、氮和磷五种元素构成四种核苷酸A、T、C、G，大自然巧夺天工的将它们搭配组合而编码出丰富多彩的个体生命和千变万化的遗传现象。作为一种重要的结构补充，DNA 上的修饰近年来尤其引人注目。DNA磷硫酰化修饰是目前已知唯一存在于DNA磷酸骨架上的生理修饰[1]，但硫元素如何掺入DNA骨架的化学生物学过程却一直悬而未决。另一方面，自然界微生物之间、微生物与宿主、微生物与环境之间时刻都发生着纷繁复杂的动态交互作用，并因此推动着生物进化和生态演化。其中，噬菌体和细菌之间的进化军备竞赛是基因多样性的重要驱动力。

2025年1月16日，经过深圳市转化医学研究院（深圳大学第一附属医院）、武汉大学、深圳市儿童医院紧密合作，陈实教授研究组和王连荣教授研究组合作在 Nature Chemical Biology 在线发表了题为A DNA phosphorothioation pathway via adenylated intermediate modulates Tdp machinery的研究论文。该研究中博士生安天琛和谭乾等鉴定了一套全新的微生物磷硫酰化系统Tdp，通过形成腺苷化中间体的方式将硫原子掺入DNA骨架，完成DNA上的磷硫酰化修饰，并解析了其调控宿主相应防御系统的分子机制[2]。与已知的I 型Dnd和Ⅱ型Ssp磷硫酰化系统相比，该Ⅲ型Tdp系统具有精简的基因组成。TdpC仅一个蛋白即可完成序列特异性磷硫酰化修饰；TdpAB主要发挥抵抗噬菌体侵染的生理功能。还解析了TdpAB复合物结合有无磷硫酰化修饰DNA的多种状态，发现TdpAB复合物通过识别DNA骨架上的硫原子从而避免自身免疫。该研究拓展了核酸化学生物学修饰领域的认识，建立了DNA修饰和RNA修饰的桥梁，拓宽了对微生物防御系统的认知。

该项研究是陈实研究组和王连荣研究组在此领域所取得系列进展的最新研究成果。无独有偶，早在2020年7月，王连荣教授、陈实教授与吴更教授在 Nature Microbiology 上发表了题为 SspABCD-SspE is a phosphorothioation-sensing bacterial defence system with broad anti-phage activities 的研究论文，报道了SspABCD-SspE组成的另一种新型的磷硫酰化限制-修饰系统并对其防御机理进行了深入探究[3]。博士生熊啸林和魏月等成功在几株不含有I 型 dnd 基因簇的弧菌中鉴定出一种新型d(C _PS C)单链磷硫酰化修饰，并在其基因组中定位出负责这种新型修饰的 ssp 基因簇，定义为Ⅱ型单链磷硫酰化修饰系统。发现该系统广泛存在于各门类的细菌中，由负责修饰的 sspABCD 及限制相关基因 sspE 共同组成了一套与 dnd 系统在基因构成、蛋白质生化功能和修饰表型中均迥然不同的新型抗噬菌体防御系统。其单链、高频的修饰行为与修饰蛋白SspB 的DNA 单链切割能力密切相关。此外，SspE 可通过感应序列特异性的磷硫酰化修饰，在DNA 上引入缺刻从而阻断噬菌体DNA 复制，发挥抗噬菌体活性。这项工作深入阐释了一种依赖单链磷硫酰化修饰的新型防御机制，创新性的揭示了这一全新类型DNA 磷硫酰化生理修饰体系的特征。博士生高海燕等在Nature Communications（2022a）上进一步报道了SspE的表面有一个专门读取DNA磷硫酰化结构的区域，二者像钥匙和锁一样，当感应到磷硫酰化修饰这把钥匙，SspE从闭合构象转换成开放构象，激活了GTP水解酶和核酸酶活性，才得以切割噬菌体DNA，由此解析了SspE感应磷硫酰化的抗噬菌体机制[4]。这个防御系统就像长城、磷硫酰化像烽火台，当噬菌体入侵的时候，防卫士兵SspE感应到了烽火台示警，聚集起来进行防御。这种感应DNA表观修饰的防御机制与Dnd系统、甲基化限制-修饰以及其它已知细菌的防御系统迥然不同。

有意思的是，2022年12月，陈实教授和王连荣教授联合吴更教授在 Nature Catalysis 发表了题为 The functional coupling between restriction and DNA phosphorothioate modification systems underlying the DndFGH restriction complex 的研究论文，解析了 DndABCDE-DndFGH磷硫酰化防御系统的限制蛋白复合物功能以及感应防御机制[5]。作为限制部分，DndFGH与DndABCDE组成细菌的防御系统 - 细菌一方面利用DndABCDE对自身DNA 进行序列特异性磷硫酰化修饰，同时利用DndFGH作为“守门员”根据有无磷硫酰化修饰来区分“自我DNA”和“非我DNA”并攻击“非我DNA”（例如噬菌体DNA），完成对细菌自身的保护。博士生吴丹等揭示了当噬菌体DNA 入侵细菌宿主后，DndF、DndG 和DndH 形成复合物，并在水解ATP 获得能量的驱动下在噬菌体基因组DNA 上边易位边切割，破坏噬菌体基因组DNA 完整性从而阻止其复制增殖；但DndFGH 在细菌宿主自身基因组DNA 上易位时，带有磷硫酰化修饰的DNA由于硫原子更强的亲和性而抑制DndFGH的ATP水解酶活性，进而无法在细菌基因组DNA 上发挥易位-核酸酶活性，从而避免了DndFGH 对细菌“自我DNA”的误伤。与由德林教授合作，博士生曹博、陈超和Michael S. DeMott博士在Nature Communications（2014）上报道了借助单分子实时测序技术实现了对磷硫酰化修饰的全基因组定位，并揭示了其在基因组上动态和部分修饰的独特特征[6]。博士后熊磊、陈思和硕士生刘思怡、肖瑶等也在Nature Communications（2019）上报道了古菌基因组中 dnd 基因簇附近通常伴随着一个由四基因构成的新型基因簇 pbeABCD ，这两个基因簇的联合作用使古菌获得了抑制病毒DNA 复制而抵御其侵染的能力[7]。该病毒防御系统依赖于DNA 磷硫酰化修饰的存在，并通过基因水平转移等方式在古菌和细菌双域之间及内部相互交流而发挥保护宿主基因组稳定性的功能。与Sang Yup Lee教授合作，研究组邹璇博士生等在Nature Communications（2022b）上报道了在工程菌底盘整合磷硫酰化防御系统应用于工业环境抗噬菌体工程菌底盘改造而实现了对细菌抗噬菌体性能的提升。结合噬菌体生命周期关键基因的精确改造为宿主菌建立了立体的防御网络，并搭建了一套可以应用于不同宿主的强效抗噬菌体系统化改造策略。这些改造不影响宿主在发酵生产过程中应用，能够保证宿主菌正常的生长状态、生理功能和发酵生产产能，为工业发酵过程中噬菌体污染防治提供了合成生物学解决方案[8]。

噬菌体与细菌是共进化的关系，噬菌体会采用何种机制来突破细菌宿主DNA 磷硫酰化防御系统尚一无所知。2024年11月，陈实团队在 Nature Microbiology 在线发表了题为 A widespread phage-encoded kinase enables evasion of multiple host antiphage defense systems 的研究成果，揭示了噬菌体通过编码广泛存在的蛋白激酶来拮抗细菌多重防御系统。蒋素素博士后和陈超研究员等鉴定到了能够逃逸Dnd防御系统的拮抗蛋白，揭示出该拮抗蛋白可磷酸化修饰DndFGH上三个关键位点DndF _T22、 DndF _T23 和DndH _Y1510 。这些关键位点被磷酸化修饰后，DndFGH复合物空间构象发生改变，并干扰其DNA结合与DNA易位酶活性，最终阻遏DNA切割活性，使其丧失对外源噬菌体的防御作用。噬菌体通过编码激酶蛋白来发挥逃逸作用，该拮抗蛋白还可以一键关闭逃逸多种作用机制不同的防御系统，展现出噬菌体治疗应用潜力[9]。

此外，陈实研究组和王连荣研究组还于2011、2017、2018和2020年在PNAS上分别报道了DNA磷硫酰化系统的广泛分布、基因表达调控及细胞内氧化还原稳态维持等生理功能（童童硕士生、陈思博士后、唐游博士生等）、与甲基化的互作（陈超博士生等）及相互影响（武晓琳博士生等）[10-13]；于2020、2024年在Nucleic Acids Research上分别报道了DNA磷硫酰化修饰基因组水平的可视化示踪（魏月博士生和黄琴琴博士后等）和DndI防御系统的分子机制（唐雅倩博士生和吴丹博士生等）[14, 15]。

陈实研究组和王连荣研究组的这一系列研究像串起的珠子一样，逐层揭开了微生物磷硫酰化修饰防御系统的神秘面纱，同时启迪了合成生物学和噬菌体治疗的潜在应用[16, 17]。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41589-024-01832-w (免费全文链接https://rdcu.be/d6qIz)

https://www.nature.com/articles/s41564-020-0700-6(免费全文链接https://rdcu.be/b3qqS)

https://www.nature.com/articles/s41929-022-00884-2 (免费全文链接https://rdcu.be/c1f5X) https://www.nature.com/articles/s41564-024-01851-2 (免费全文链接https://rdcu.be/dZiTu)

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参考文献：

[1] Lianrong Wang#, Shi Chen#, Tiegang Xu, Koli Taghizadeh, John S. Wishnok, Xiufen Zhou, Delin You, Zixin Deng*, Peter C. Dedon*, Phosphorothioation of DNA in bacteria by dnd genes, Nature Chemical Biology 3(11) (2007) 709-710.

[2] Tianchen An#, Qian Tan#, Lixu Jiang, Li Liu, Xing Jiang, Liying Liu, Xiaofei Chang, Xihao Tian, Zixin Deng, Shuai Gao, Lianrong Wang*, Shi Chen*, A DNA phosphorothioation pathway via adenylated intermediate modulates Tdp machinery, Nature Chemical Biology doi:10.1038/s41589-024-01832-w (2025).

[3] Xiaolin Xiong#, Geng Wu#, Yue Wei#, Liqiong Liu, Yubing Zhang, Rui Su, Xianyue Jiang, Mengxue Li, Haiyan Gao, Xihao Tian, Yizhou Zhang, Li Hu, Si Chen, You Tang, Susu Jiang, Ruolin Huang, Zhiqiang Li, Yunfu Wang, Zixin Deng, Jiawei Wang, Peter C. Dedon, Shi Chen, Lianrong Wang*, SspABCD–SspE is a phosphorothioation-sensing bacterial defence system with broad anti-phage activities, Nature Microbiology 5(7) (2020) 917-928.

[4] Haiyan Gao#, Xinqi Gong#, Jinchuan Zhou, Yubing Zhang, Jinsong Duan, Yue Wei, Liuqing Chen, Zixin Deng, Jiawei Wang, Shi Chen*, Geng Wu*, Lianrong Wang*, Nicking mechanism underlying the DNA phosphorothioate-sensing antiphage defense by SspE, Nature Communications 13(1) (2022) 6773.

[5] Dan Wu, Yaqian Tang, Siwei Chen, Yue He, Xiaofei Chang, Wenzhong Zheng, Zixin Deng, Zhiqiang Li, Lianrong Wang*, Geng Wu*, Shi Chen*, The functional coupling between restriction and DNA phosphorothioate modification systems underlying the DndFGH restriction complex, Nature Catalysis 5(12) (2022) 1131-1144.

[6] Bo Cao#, Chao Chen#, Michael S. DeMott#, Qiuxiang Cheng, Tyson A. Clark, Xiaolin Xiong, Xiaoqing Zheng, Vincent Butty, Stuart S. Levine, George Yuan, Matthew Boitano, Khai Luong, Yi Song, Xiufen Zhou, Zixin Deng, Stephen W. Turner, Jonas Korlach, Delin You*, Lianrong Wang*, Shi Chen*, Peter C. Dedon, Genomic mapping of phosphorothioates reveals partial modification of short consensus sequences, Nature Communications 5(1) (2014) 3951.

[7] Lei Xiong#, Siyi Liu#, Si Chen#, Yao Xiao#, Bochen Zhu, Yali Gao, Yujing Zhang, Beibei Chen, Jie Luo, Zixin Deng, Xiangdong Chen, Lianrong Wang, Shi Chen*, A new type of DNA phosphorothioation-based antiviral system in archaea, Nature Communications 10(1) (2019) 1688.

[8] Xuan Zou, Xiaohong Xiao, Ziran Mo, Yashi Ge, Xing Jiang, Ruolin Huang, Mengxue Li, Zixin Deng, Shi Chen*, Lianrong Wang*, Sang Yup Lee*, Systematic strategies for developing phage resistant Escherichia coli strains, Nature Communications 13(1) (2022) 4491.

[9] Susu Jiang#, Chao Chen#, Wanqiu Huang, Yue He, Xuan Du, Yi Wang, Hongda Ou, Zixin Deng, Congrui Xu, Lixu Jiang, Lianrong Wang, Shi Chen*, A widespread phage-encoded kinase enables evasion of multiple host antiphage defence systems, Nature Microbiology 9(12) (2024) 3226-3239.

[10] Lianrong Wang, Shi Chen*, Kevin L. Vergin, Stephen J. Giovannoni, Simon W. Chan, Michael S. DeMott, Koli Taghizadeh, Otto X. Cordero, Michael Cutler, Sonia Timberlake, Eric J. Alm, Martin F. Polz, Jarone Pinhassi, Zixin Deng, Peter C. Dedon*, DNA phosphorothioation is widespread and quantized in bacterial genomes, Proceedings of the National Academy of Sciences 108(7) (2011) 2963-2968.

[11] Tong Tong#, Si Chen#, Lianrong Wang#, You Tang#, Jae Yong Ryu, Susu Jiang, Xiaolin Wu, Chao Chen, Jie Luo, Zixin Deng, Zhiqiang Li, Sang Yup Lee*, Shi Chen*, Occurrence, evolution, and functions of DNA phosphorothioate epigenetics in bacteria, Proceedings of the National Academy of Sciences 115(13) (2018) E2988-E2996.

[12] Xiaolin Wu#, Bo Cao#, Patricia Aquino, Tsu-Pei Chiu, Chao Chen, Susu Jiang, Zixin Deng, Shi Chen, Remo Rohs, Lianrong Wang*, James E. Galagan*, Peter C. Dedon*, Epigenetic competition reveals density-dependent regulation and target site plasticity of phosphorothioate epigenetics in bacteria, Proceedings of the National Academy of Sciences 117(25) (2020) 14322-14330.

[13] Chao Chen#, Lianrong Wang#, Si Chen, Xiaolin Wu, Meijia Gu, Xi Chen, Susu Jiang, Yunfu Wang, Zixin Deng, Peter C. Dedon, Shi Chen*, Convergence of DNA methylation and phosphorothioation epigenetics in bacterial genomes, Proceedings of the National Academy of Sciences 114(17) (2017) 4501-4506.

[14] Yue Wei#, Qinqin Huang#, Xihao Tian, Mingmin Zhang, Junkai He, Xingxiang Chen, Chao Chen, Zixin Deng, Zhiqiang Li, Shi Chen, Lianrong Wang*, Single-molecule optical mapping of the distribution of DNA phosphorothioate epigenetics, Nucleic Acids Research 49(7) (2021) 3672-3680.

[15] Yaqian Tang#, Dan Wu#, Yueying Zhang, Xuan Liu, Hui Chu, Qian Tan, Lixu Jiang, Shi Chen*, Geng Wu*, Lianrong Wang*, Molecular basis of the phosphorothioation-sensing antiphage defense system IscS–DndBCDE–DndI, Nucleic Acids Research 52(22) (2024) 13594-13604.

[16] Lianrong Wang, Susu Jiang, Zixin Deng, Peter C. Dedon, Shi Chen*, DNA phosphorothioate modification—a new multi-functional epigenetic system in bacteria, FEMS Microbiology Reviews 43(2) (2018) 109-122.

[17] Lianrong Wang*, Yaqian Tang, Zixin Deng, Shi Chen*, DNA Phosphorothioate Modification Systems and Associated Phage Defense Systems., Annual Review of Microbiology 78 (2024) 447-462.

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