鄧子新團(tuán)隊(duì)揭示蛋白識(shí)別DNA硫原子的機(jī)制
近日，上海交通大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院、微生物代謝國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室鄧子新團(tuán)隊(duì)的賀新義研究員與上海交大生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院吳更教授合作，共同揭示了一類識(shí)別DNA硫原子的蛋白結(jié)構(gòu)域，并對(duì)其識(shí)別硫原子的機(jī)制及其偶聯(lián)的核酸酶結(jié)構(gòu)域活性進(jìn)行了深入研究，相關(guān)成果分別發(fā)表在《Nature Communications》和《Molecular Microbiology》上。
硫原子被發(fā)現(xiàn)存在于生物分子，如蛋白質(zhì)、tRNA、鐵硫簇、抗生素等分子結(jié)構(gòu)中已超過(guò)一個(gè)多世紀(jì)。2005-2007年期間，我國(guó)科學(xué)家鄧子新院士發(fā)現(xiàn)并報(bào)導(dǎo)了細(xì)菌DNA中存在天然的硫修飾，其化學(xué)結(jié)構(gòu)是在特定的DNA磷酸二酯鍵骨架上的氧-硫替換，這是國(guó)際上迄今為止在生物體中發(fā)現(xiàn)的唯一一種DNA骨架上的表觀遺傳修飾。眾所周知，DNA結(jié)構(gòu)上細(xì)微的改變或修飾影響生命體代謝過(guò)程，比如DNA的甲基化修飾與基因表達(dá)、細(xì)胞分化、癌癥發(fā)生等息息相關(guān)。這些DNA修飾依賴一類特異性的蛋白質(zhì)對(duì)其識(shí)別解碼（Reader）。DNA硫修飾作為DNA骨架上的修飾，參與了細(xì)菌的限制-修飾和抗氧化過(guò)程。那么，是否存在一類能夠解讀這種全新修飾的“Reader”呢？2010年，賀新義研究組曾在天藍(lán)色鏈霉菌中發(fā)現(xiàn)一個(gè)DNA硫修飾依賴型的IV限制酶ScoMcrA，只有當(dāng)DNA被硫化修飾后，才會(huì)被識(shí)別并被切割（Liu et al., PLoS Genetics）。但關(guān)于能特異性識(shí)別生物分子上硫原子的蛋白結(jié)構(gòu)域還沒(méi)有一例相關(guān)報(bào)導(dǎo)。
為揭示ScoMcrA特異性識(shí)別硫修飾DNA的作用機(jī)制，賀新義研究組與吳更團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)數(shù)年深入探索，成功解析了ScoMcrA-硫修飾DNA復(fù)合物的蛋白晶體結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)硫原子被巧妙包埋于其中一個(gè)保守結(jié)構(gòu)域（Sulfur Binding Domain, SBD）的淺表疏水坑中。與氧原子相比，硫原子具有更大的原子半徑，導(dǎo)致其對(duì)外層電子的吸引作用明顯減弱，呈現(xiàn)出較弱的電負(fù)性，賦予硫原子疏水的特性。SBD正好利用這個(gè)細(xì)微差異來(lái)區(qū)分硫修飾DNA和普通DNA（圖1, 2）。該部分 成果發(fā)表在《Nature Communications》上，劉光博士（現(xiàn)任職于華東理工大學(xué)）是第一作者，賀新義研究員和吳更教授為共同通訊作者。
圖1：DNA硫修飾可以被Reader蛋白ScoMcrA所識(shí)別
圖2：ScoMcrA采用SBD結(jié)構(gòu)域表面上的一個(gè)疏水坑，特異性識(shí)別硫修飾DNA上的硫原子
圖3：SBD結(jié)構(gòu)域在多達(dá)十四個(gè)門的一千種以上已測(cè)序細(xì)菌中存在同源蛋白
在此基礎(chǔ)上，研究小組進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)SBD結(jié)構(gòu)域在多達(dá)十四個(gè)門的一千種以上已測(cè)序細(xì)菌中存在同源蛋白，說(shuō)明這種硫修飾識(shí)別蛋白在細(xì)菌中廣泛存在。他們對(duì)其中一類最小的同源蛋白SprMcrA進(jìn)行詳細(xì)的體內(nèi)和體外活性表征試驗(yàn)，并對(duì)其關(guān)鍵活性位點(diǎn)進(jìn)行突變，使該蛋白切割硫修飾DNA的效率提高了30倍。本研究成果極大地推進(jìn)了硫修飾依賴型的識(shí)別蛋白在核酸體外檢測(cè)或發(fā)展成為基因編輯工具方面的應(yīng)用。該部分工作發(fā)表在微生物學(xué)權(quán)威雜志《Molecular Microbiology》上，博士生于昊為第一作者，賀新義研究員為通訊作者。
該項(xiàng)工作還得到了上海交通大學(xué)趙一雷教授和沙特阿卜杜拉國(guó)王大學(xué)何堯教授的幫助。國(guó)家自然科學(xué)基金（31130068，31670034）以及上海交通大學(xué)科技創(chuàng)新專項(xiàng)資金對(duì)以上工作進(jìn)行了資助。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-018-07093-1 和https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/30184284
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