鄧子新團隊揭示蛋白識別DNA硫原子的機制
近日，上海交通大學生命科學技術(shù)學院、微生物代謝國家重點實驗室鄧子新團隊的賀新義研究員與上海交大生命科學技術(shù)學院吳更教授合作，共同揭示了一類識別DNA硫原子的蛋白結(jié)構(gòu)域，并對其識別硫原子的機制及其偶聯(lián)的核酸酶結(jié)構(gòu)域活性進行了深入研究，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)中已超過一個多世紀。2005-2007年期間，我國科學家鄧子新院士發(fā)現(xiàn)并報導了細菌DNA中存在天然的硫修飾，其化學結(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)上細微的改變或修飾影響生命體代謝過程，比如DNA的甲基化修飾與基因表達、細胞分化、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)對其識別解碼（Reader）。DNA硫修飾作為DNA骨架上的修飾，參與了細菌的限制-修飾和抗氧化過程。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色鏈霉菌中發(fā)現(xiàn)一個DNA硫修飾依賴型的IV限制酶ScoMcrA，只有當DNA被硫化修飾后，才會被識別并被切割（Liu et al., PLoS Genetics）。但關(guān)于能特異性識別生物分子上硫原子的蛋白結(jié)構(gòu)域還沒有一例相關(guān)報導。
為揭示ScoMcrA特異性識別硫修飾DNA的作用機制，賀新義研究組與吳更團隊經(jīng)過數(shù)年深入探索，成功解析了ScoMcrA-硫修飾DNA復合物的蛋白晶體結(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，導致其對外層電子的吸引作用明顯減弱，呈現(xiàn)出較弱的電負性，賦予硫原子疏水的特性。SBD正好利用這個細微差異來區(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）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所識別
圖2：ScoMcrA采用SBD結(jié)構(gòu)域表面上的一個疏水坑，特異性識別硫修飾DNA上的硫原子
圖3：SBD結(jié)構(gòu)域在多達十四個門的一千種以上已測序細菌中存在同源蛋白
在此基礎(chǔ)上，研究小組進一步分析發(fā)現(xiàn)SBD結(jié)構(gòu)域在多達十四個門的一千種以上已測序細菌中存在同源蛋白，說明這種硫修飾識別蛋白在細菌中廣泛存在。他們對其中一類最小的同源蛋白SprMcrA進行詳細的體內(nèi)和體外活性表征試驗，并對其關(guān)鍵活性位點進行突變，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了硫修飾依賴型的識別蛋白在核酸體外檢測或發(fā)展成為基因編輯工具方面的應用。該部分工作發(fā)表在微生物學權(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。
該項工作還得到了上海交通大學趙一雷教授和沙特阿卜杜拉國王大學何堯教授的幫助。國家自然科學基金（31130068，31670034）以及上海交通大學科技創(chuàng)新專項資金對以上工作進行了資助。
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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