DNA由碳、氢、氧、氮和磷五种元素构成A、T、C、G四种核苷酸，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。作为重要的结构补充，DNA上的表观遗传修饰广泛参与基因表达调控、DNA修复等多种生物学过程。DNA磷硫酰化修饰是目前仅知存在于DNA磷酸骨架的生理修饰，但硫原子如何掺入DNA骨架的分子机制却一直悬而未决。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，陈实教授和王连荣教授联合在 Nature Chemical Biology 在线发表了题为 A DNA phosphorothioation pathway via adenylated intermediate modulates Tdp machinery 的研究成果，从一个全新的微生物磷硫酰化系统入手，揭示硫原子掺入DNA骨架的化学生物学途径，并解析了与修饰偶联的防御系统抵抗噬菌体侵染、识别硫原子而避免自身免疫的分子机制。该发现推动了核酸修饰化学生物学领域的发展，也加深了人们对细菌与噬菌体之间军备竞赛的认识。
陈实教授和王连荣教授致力于挖掘微生物表观遗传及其感应防御系统和拮抗机制，近年来在该领域取得了一系列的进展【1,2】。DNA磷硫酰化修饰的化学本质，即DNA骨架上非桥连氧原子被硫原子取代形成磷硫酰化【3】。该修饰最开始发现由dndABCDE基因簇介导完成，通过序列比对结合质谱分析发现DNA磷硫酰化修饰在细菌中广泛分布【4】。利用单分子实时测序和单分子成像技术实现了对磷硫酰化修饰的全基因组定位和可视化示踪，发现dnd介导的修饰是一种位于4 bp保守回文序列中的双链修饰，且存在不饱和性和异质性等特征【5,6】。DNA磷硫酰化修饰与DNA甲基化修饰在基因组上可形成甲基硫化双修饰，也会相互影响定位，具有功能上的互作及遗传上的共进化关系【7,8】，磷硫酰化生理修饰会参与到基因表达调控、细胞内氧化还原稳态维持等生理过程【9】。DNA磷硫酰化系统的另一重要生理功能是作为微生物天然免疫系统，可有效抵抗外源质粒及噬菌体的入侵，以维持细菌遗传稳定性【1,10】。在第三域古菌基因组中dnd基因簇通常与其相邻的pbe基因簇联合作用，抑制了病毒DNA复制而抵御其侵染【11】。不仅如此，在弧菌中发现Ssp磷硫酰化系统，由负责进行单链、高频修饰的SspABCD与限制蛋白SspE组成【12,13】。其中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【14】。经过对沙门氏菌中的DndABCDE-DndFGH/DndI磷硫酰化防御系统的研究，揭示了DndI通过疏水区域感应磷硫酰化修饰、避免自身免疫并抑制噬菌体复制的机理【15,16】。磷硫酰化防御系统也被应用于构建抗噬菌体底盘工程菌，成功建立了抵抗多种噬菌体侵染并适于发酵生产的合成生物学底盘【17】。另一方面，发现了一种在噬菌体中广泛存在的新型拮抗系统，该系统通过磷酸化修饰可同时逃逸细菌的多重防御体系，包括磷硫酰化系统、CRISPR、SIR2-HerA和DUF4297+HerA等防御系统，从而实现了对细菌的高效杀灭【18】。陈实课题组和王连荣课题组的这一系列研究剥茧抽丝地解析了微生物磷硫酰化系统的独特特征、调控机制以及生物学功能【1,2】。有意思的是，早在2022年12月，陈实教授和王连荣教授联合上海交通大学吴更教授在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。博士生吴丹等揭示了DndFGH限制蛋白复合物水解ATP供能，经过构象变化激活DNA缺刻酶和易位酶活性，通过在外源非修饰DNA上滑动易位并引入缺口，从而限制了外源遗传物质在宿主内的复制，行使了外源DNA或噬菌体的防御功能。同时，带有磷硫酰化修饰的DNA由于硫原子更强的亲和性从而抑制DndFGH的ATP水解酶活性，阻碍了由ATP水解酶驱动的DNA易位酶，进而抑制该复合物的核酸酶活性。这一机制有效避免了宿主的自身免疫，实现了DNA磷硫酰化修饰对DndFGH复合物所介导限制系统的精准调控【16】。' fill='%23FFFFFF'%3E%3Crect x='249' y='126' width='1' height='1'%3E%3C/rect%3E%3C/g%3E%3C/g%3E%3C/svg%3E)
DNA磷硫酰化修饰已知可由DndABCDE和SspABCD多蛋白复合物系统介导完成。然而，硫原子掺入DNA磷酸骨架硫氧置换的化学生物学途径一直是一个未解之谜。在Nature Chemical Biology最新发表的这项研究中，通过建立计算预测模型分析了31478个微生物全基因组数据，挖掘出一个特异性存在于嗜热微生物中的新型磷硫酰化基因簇tdpABC，具有独特的基因组成和截然不同的功能蛋白。与Dnd和Ssp需多蛋白复合物进行修饰不同，在硫化叶菌和栖热菌中的异源表达和基因敲除实验均证明了tdpC基因是一个精简化的DNA磷硫酰化修饰系统，体外反应也证实了只需要TdpC就可以单独进行DNA磷硫酰化修饰。在体外TdpC可单独利用无机硫化物为硫源，也可在半胱氨酸脱硫酶存在下利用半胱氨酸为硫源完成DNA的磷硫酰化修饰，反应体系还需要ATP与镁离子。TdpC具有保守的PP-loop结构域，发挥ATP焦磷酸酶活性水解ATP并介导了DNA腺苷化中间产物的生成。该DNA腺苷化中间产物的鉴定是化学生物学途径成功解析的核心，由此揭示出TdpC介导的DNA磷硫酰化修饰通过两步反应进行：首先以ATP为底物，通过腺苷化激活目标DNA的戊糖-磷酸骨架，由此产生的腺苷化中间体进一步受到活性硫的亲核攻击，释放AMP并产生DNA骨架上的磷硫酰化修饰。嗜热菌中的TdpAB与TdpC组合发挥抵抗外源噬菌体侵染的生理功能。其中TdpA和TdpB形成复合物发挥DNA激活的ATP酶、ATP驱动的易位酶和DNA缺刻酶活性。TdpAB限制复合物由上层的TdpB二聚体和下层的TdpA六聚体环组成，双链DNA由TdpA蛋白六聚体底部孔道伸入其中，且由TdpA呈螺旋阶梯式依次结合双链DNA的一条螺旋链外部。磷硫酰化DNA骨架上的硫原子和TdpA孔道内侧产生疏水相互作用，孔道蛋白和DNA距离拉近并形成新的氢键，使含硫DNA在复合物孔道中滑动受阻而不会被降解，从而避免基因组磷硫酰化修饰宿主的自身免疫反应。
Tdp磷硫酰化系统的工作模型。包括TdpC介导的DNA骨架的磷硫酰化修饰以及TdpAB介导感应磷硫酰化表观遗传的抗噬菌体防御机制。
综上，该研究在嗜热菌中发现了一种新型DNA磷硫酰化防御系统，揭示了系统中的修饰蛋白通过腺苷化的方式活化DNA底物、并将硫原子传递至DNA骨架的化学生物学途径，同时解析了防御蛋白复合物的功能，阐明了这一新型磷硫酰化系统的生理功能和硫原子识别的抗噬菌体机理。该研究攻克了DNA磷硫酰化修饰化学生物学途径的长期科学难题，鉴定了新型精简化的DNA磷硫酰化修饰系统，揭示了感应表观修饰从而调控防御系统的独特功能，并阐明了防御系统通过识别磷硫酰化修饰标记以区分自我非我DNA的全新机制，加深了对基于磷硫酰化的修饰系统和限制系统功能耦合的理解，并拓宽了对微生物防御系统作用模式的认识。安天琛博士生和谭乾博士生为共同第一作者，陈实教授和王连荣教授为共同通讯作者。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/s41929-022-00884-2(免费全文链接https://rdcu.be/c1f5X)
制版人：十一
[1] 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.[2] 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.[3] 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.[4] 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.[5] 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.[6] 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.[7] 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.[8] 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.[9] 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.[10] Shiwei Wang, Mengping Wan, Ruolin Huang, Yujing Zhang, Yuqing Xie, Yue Wei, Mustafa Ahmad, Dan Wu, Yue Hong, Zixin Deng, Shi Chen, Zhiqiang Li, Lianrong Wang*, SspABCD-SspFGH Constitutes a New Type of DNA Phosphorothioate-Based Bacterial Defense System,mBio 12(2) (2021) 10.1128/mbio.00613-21.[11] 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.[12] Susu Jiang, Ke Chen, Yingying Wang, Yueying Zhang, Yaru Tang, Wanqiu Huang, Xiaolin Xiong, Shi Chen, Chao Chen*, Lianrong Wang*, A DNA phosphorothioation-based Dnd defense system provides resistance against various phages and is compatible with the Ssp defense system, mBio 14(4) (2023) e00933-23.[13] 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.[14] 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.[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] 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.[17] 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.[18] 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.[19]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, (2025) , DOI: s41589-024-01832-w.
BioART战略合作伙伴
（*排名不分先后）
转载须知
【非原创文章】本文著作权归文章作者所有，欢迎个人转发分享，未经作者的允许禁止转载，作者拥有所有法定权利，违者必究。
