mBio:阐明古菌DNA磷硫酰化修饰途径中的重要蛋白DndE的结构和功能

近日，上海交通大学生命科学技术学院、微生物代谢国家重点实验室的吴更教授团队与武汉大学王连荣教授团队合作，阐明了古菌DNA磷硫酰化修饰途径中的重要蛋白DndE的结构和功能。该研究成果以“Structural and functional analysis of DndE involved in DNA phosphorothioation in the haloalkaliphilic archaea Natronorubrum bangense JCM10635”为题发表在《mBio》杂志上。生命科学技术学院吴更教授、武汉大学王连荣教授为通讯作者。这项研究第一次详细阐明了一个古菌来源的、在DNA磷硫酰化修饰途径中起重要作用的蛋白DndE的结构和功能，加深了人们对于DNA磷硫酰化修饰的认识和理解。

在原核生物如细菌和古菌中，DNA的主链骨架上的一个非桥联氧原子被替换为硫原子，这种特殊的表观遗传修饰称为DNA磷硫酰化修饰。已发现的对DNA进行磷硫酰化修饰的酶系统包括两种：I型的DndA-DndB-DndC-DndD-DndE，对双链DNA进行硫修饰；和II型的SspA-SspB-SspC-SspD，对单链DNA进行硫修饰。DndE属于I型DNA磷硫酰化修饰系统。

本研究首先通过解析嗜盐碱古菌Natronorubrum bangense JCM10635菌株的DndE蛋白的晶体结构，发现与之前发表的大肠杆菌B7A菌株的DndE形成四聚体不同，古菌的DndE蛋白在晶体中和在溶液中都是以单体的形式存在。接着，本研究通过采用纯化的DndE蛋白在体外对DNA的缺刻（nicking）实验检测发现，与II型DNA硫化修饰系统SspABCD中的SspB蛋白类似，DndE具有对DNA的缺刻活性，将共价闭环（covalently closed circular）双链DNA的其中一条单链切断，即将DNA缺刻，产生开环（open circular）DNA，并随着时间的逐步推移，产生线状（linear）DNA。而且，本研究还揭示，DndE的这种对DNA的缺刻活性依赖于二价金属阳离子，特别是镁离子，而不依赖于DNA上存在或不存在磷硫酰化修饰。Run-off测序结果显示，DndE对DNA的缺刻活性也没有DNA序列特异性。然后，通过采用在体外的荧光标记的DNA与纯化的DndE蛋白的荧光偏振检测实验表明，DndE蛋白可以在体外与DNA直接结合，而且，DndE与缺刻DNA的亲和力最强，与双链DNA的亲和力次之，与单链DNA的亲和力最弱。最后，本研究发现将DndE蛋白表面带正电荷的精氨酸19、赖氨酸K23和精氨酸R34突变为电中性的丙氨酸的话，会降低DndE与缺刻DNA之间的亲和力；而如果将DndE蛋白的甘氨酸26突变为带正电荷的赖氨酸的话，会增强DndE与缺刻DNA之间的亲和力。这说明DndE蛋白通过其表面带正电荷的氨基酸残基如精氨酸19、赖氨酸K23和精氨酸R34等来结合缺刻DNA。

本文是吴更团队自2018年Nature Communications上发表的细菌采用SBD结构域识别DNA上的硫化修饰的结构机理、2020年Nature Microbiology上发表的II型DNA硫化修饰系统的SspB和SspE晶体结构、2020年mBio上发表的II型DNA硫化修饰系统的半胱氨酸脱硫酶SspA晶体结构的延续和扩展。