Cell：新研究表明细菌防御系统DdmDE有潜力用于基因组编辑

在一项新的研究中，来自俄亥俄州立大学的研究人员描述了细菌防御策略DdmDE的逐步细节，认为这种机制是开发新的基因组编辑方法的一个很有前途的平台。相关研究结果于2024年8月21日在线发表在Cell期刊上，论文标题为“DdmDE eliminates plasmid invasion by DNA-guided DNA targeting”。

DdmDE系统涉及两种蛋白，它们联手使质粒失效，其中质粒是在不同细菌菌株之间交换遗传信息的DNA 分子。质粒在进化过程中带来益处，但也会被宿主细菌视为威胁。

研究者发现DdmDE系统中的一种蛋白利用一小段DNA——称为向导DNA，会引发一些事件，招募该系统重的另一种蛋白来分解质粒。

除了揭示细菌生存的秘密外，这项研究还发现了可用于基因编辑的成分：向导DNA（比向导RNA更稳定，合成成本更低）和一种小到足以递送到哺乳动物细胞中用于DNA传感和基因编辑的功能蛋白。

论文通讯作者、俄亥俄州立大学医学院生物化学与药理学助理教授Tianmin Fu说，“这个系统很有潜力发展成为基因组编辑工具。我们如今正试图测试它是否能被重新编程为一种有用的技术。”

细菌中质粒的存在是众所周知的，例如有些细菌会分泌质粒，所分泌的质粒也可以从一个细胞转移到另一个细胞，以共享遗传信息。

Fu说，“这就是细菌进化如此迅速的原因。有时，质粒会整合到宿主基因组 DNA 中，但这是随机发生的。它们可能会给单个细菌的生存带来困难，但从长远来看，质粒对细菌群体有益，因为遗传信息能让细菌获得新的特征。”不过，细菌还是倾向于消除质粒，以防止它们可能采取的任何随机威胁行动。

图片来自Cell, 2024, doi:10.1016/j.cell.2024.07.028

Fu及其同事们利用霍乱弧菌作为研究由两种名为DdmD和DdmE的蛋白质组成的质粒防御系统DdmDE的模型，并使用低温电镜观察它们的功能。

这一过程开始于 DdmE 与一种非常短的 DNA 片段（称为向导 DNA）的结合，这使得该蛋白质能够识别目标质粒，并利用质粒的一条双链形成气泡，将其抓住。所形成的气泡复合体招募 DdmD 蛋白，而 DdmD 蛋白只能与质粒中剩余的游离链结合。一旦结合，DdmD 就会解离成两个独立的分子，这两个分子都起着剪切作用，将质粒剪成碎片。

Fu团队实验的初步数据表明，DdmD切割质粒后剩余的质粒片段可以作为向导DNA片段，DdmE可以与之结合，从而重复执行这一过程。

Fu说，“这似乎是一个反馈回路。一旦产生质粒片段，更多的DdmE就能获得这些片段作为向导DNA来靶向细胞中更多的质粒。”

不过，他补充说，“我们目前还不清楚细胞中的第一个向导DNA是如何产生的。这是一种‘先有鸡还是先有蛋’的情况。”

这一发现出乎意料，因为DdmE与Argonaute蛋白超家族有相似之处，后者会触发宿主细菌死亡，以避免质粒入侵。然而，Argonaute蛋白是由向导RNA 而不是向导 DNA 辅助的--向导DNA 是 DdmDE 系统作为旨在预防疾病的基因组编辑平台具有吸引力的主要原因。

Fu说，“因为DdmDE需要向导DNA，所以我们可以合成向导DNA来靶向基因组中非常特定的区域。我们如今正在哺乳动物细胞中测试这一点，看看它是否有效，我们确实看到了一些潜力。”（生物谷Bioon.com）

参考资料：

Xiao-Yuan Yang et al. DdmDE eliminates plasmid invasion by DNA-guided DNA targeting. Cell, 2024, doi:10.1016/j.cell.2024.07.028.