上海交大研究组揭示细菌DNA新型限制修饰机制

细菌DNA新型限制修饰机制

　　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在DNA磷硫酰化修饰研究方面取得新进展，由德林教授研究小组与美国麻省理工学院Peter C. Dedon教授课题组合作，以博士生曹博为第一作者，在微生物领域顶级期刊《Molecular Microbiology》发表了题为“Pathological phenotypes and in vivo DNA cleavage by unrestrained activity of a phosphorothioate-based restriction system in Salmonella”的研究论文。

　　DNA磷硫酰化修饰是由硫原子取代了DNA磷酸骨架上非桥联氧原子，进而形成具有序列特异性和空间构象专一性的DNA大分子结构。这是表观遗传学领域近年发现的一种新型生理修饰现象，它突破了现有的DNA骨架由碳、氢、氧、氮、磷五种元素构成的结论，拓展了经典的DNA组成理论，在国内外引起了广泛关注。但对这种修饰的生理功能的研究一直是该领域的一个挑战。

　　表观遗传学修饰如DNA甲基化修饰经常通过限制修饰系统，与细菌的自我防卫机制紧密相关。所谓“限制修饰系统”是原核生物在进化过程中形成的遗传信息保护机制。“限制”如同特殊的刀，而“修饰”好比定制的盾。当细菌被入侵后，外来的DNA会被“限制”消灭，自身的DNA由于被“修饰”而得到保护。经典的甲基化限制修饰系统中，一旦“修饰”被破坏，“限制”会无节制地破坏细菌DNA，最终导致细菌的死亡。

　　由德林研究小组研究证实，DNA磷硫酰化修饰参与了一种新型限制修饰系统(Xu et al, Nucleic Acids Research, 2010, 38(20)： 7133-41)。通过解析含有该限制系统的细菌基因组磷硫酰化修饰图谱，由德林小组又发现了其保守修饰序列具有高度部分修饰的现象(Cao et al, Nature Communication, 2014, 5： 3951)。在此基础上，研究小组发现DNA磷硫酰化修饰基因缺失突变株中，限制系统缺陷与经典类型不同，它并不具有致死性，而是会导致宿主生理表型的异常。利用基因芯片技术探测到突变株中超过600个基因的表达受到了影响，这些基因编码的功能与宿主所呈现的异常生理表型非常吻合。此外，限制系统缺陷还激活了宿主菌中的噬菌体基因、SOS应答系统及DNA损伤修复系统等。借助研究凋亡细胞染色体DNA断裂的TUNEL技术，研究小组获得了限制系统对未修饰的基因组DNA造成断裂损伤的直接实验证据。

　　该研究不仅拓展了对DNA磷硫酰化修饰的生理功能的认识，而且揭示了DNA磷硫酰化修饰依赖的限制系统是完全不同于传统的限制修饰系统—前者在基因组DNA部分修饰条件下，具有基于DNA断裂的非致死性的特殊保护机制，而后者通常无法在突变的情况下维持微生物的生存。这一新的发现加深了人们对自然界中基因组防御系统多样性的理解和认识。