上海交大揭示海洋噬菌体受DNA磷硫酰化修饰激活的分子机理及其在dnd系统演化过程中的影响

1. DNA

来源：上海交大 2021-11-06 21:03

近日，国际重要学术期刊《Nature Communications》在线发表了上海交通大学深部生命国际研究中心肖湘团队的研究成果“The origin and impeded dissemination of the DNA phosphorothioation system in prokaryotes”。生命科学技术学院蹇华哗副研究员、博士毕业生许冠鹏、

近日，国际重要学术期刊《Nature Communications》在线发表了上海交通大学深部生命国际研究中心肖湘团队的研究成果“The origin and impeded dissemination of the DNA phosphorothioation system in prokaryotes”。生命科学技术学院蹇华哗副研究员、博士毕业生许冠鹏、在读博士生弋伊为论文的共同第一作者，肖湘教授为通讯作者。生命科学技术学院汪志军副研究员、张岳副研究员，武汉大学王连荣教授，香港中文大学罗海伟副教授等为本文合作者。

由dnd基因簇介导的DNA磷硫酰化（PT）修饰是首例报道的发生在DNA骨架上的修饰。dnd基因簇编码的多个蛋白协同作用，构成了微生物基因组中具有多种功能的表观遗传系统，它赋予了微生物包括抗氧化、限制修饰和抗病毒侵染等在内的多种能力。有趣的是，相比其他修饰系统（如甲基化修饰），尽管dnd系统会给微生物带来多种生存优势，但它们却零散地分布在众多的原核生物中。为了解答这一生态悖论，研究团队首先提出了科学假设：在通过水平基因转移进行传播的过程中，dnd系统带来的PT修饰可能影响了受体微生物的基因表达，特别是激活了在微生物基因组中广泛分布的原噬菌体，从而导致受体微生物的生存劣势，因此显着限制了dnd系统的扩散与分布。为验证这一假设，团队系统地分析了细菌基因组中dnd基因及基因簇与原噬菌体分布之间的关系，结果显示两者呈现显着的负相关。进一步地，以海洋丝状噬菌体SW1及其宿主菌Shewanella piezotolerans WP3作为模式系统的深入分析表明：PT修饰显着影响了噬菌体调控蛋白FpsR的丰度及其与操纵子的结合亲和力，从而解除了SW1原噬菌体的转录抑制。此外，在多个细菌（包括E. coli， S. oneidensis MR-1， S. putrefaciens W3-18-1）中的接合转移和转化实验结果，同样证实了dnd基因簇的水平基因转移受到原噬菌体的限制。综合竞争性实验、转录组和修饰组分析显示，除原噬菌体基因之外，PT修饰还会影响海洋细菌 S. piezotolerans WP3中多种代谢和抗逆相关基因的转录，从而导致其竞争适应性的显着降低。

虽然dndBCDE 基因簇仅分别存在于1.82%和0.77%的细菌和古菌基因组中，但值得注意的是，它们在属于蓝细菌门的念珠藻目（Nostocales）中高度富集。对dnd系统关键蛋白 DndD和DndC的系统发育分析发现，蓝细菌中的Dnd蛋白呈现独立进化分支，具有单起源特征。进一步的进化分析表明Dnd蛋白和蓝细菌物种的系统发育位置关系显着一致，提示dnd系统在蓝细菌中是垂直遗传的。基于多种证据，团队认为dnd系统极有可能起源于古老的蓝细菌（特别是Nostocales）。(生物谷Bioon.com）

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