《Nature | 细菌中糖类分解的另一种广泛特异性途径》

  • 来源专题:战略生物资源
  • 编译者: 李康音
  • 发布时间:2024-06-22
  • 2024年6月19日,不列颠哥伦比亚大学的研究人员在Nature发表题为An alternative broad-specificity pathway for glycan breakdown in bacteria的文章。

    迄今为止,绝大多数糖苷酶都遵循 "Koshland "机制的一种变体,通过取代反应水解糖苷键。该研究描述了利用一种能选择性鉴定非柯什兰糖苷酶活性的检测方法对人类肠道微生物组元基因组文库进行的大规模筛选。通过这种方法,研究人员发现了一组底物特异性极强的酶,并从机理和结构上对这些酶进行了深入研究。

    这些酶不仅能打破具有 α 和 β 立体化学和多种连接性的糖苷键,还能裂解标准糖苷酶不能水解的底物。这些底物包括硫代糖苷,如植物中的葡萄糖苷酸盐,以及阿卡波糖等药物的假糖苷键。这些酶通过不同的水解机制实现水解,其中包括氧化/还原和消除/水合步骤,每个步骤都由酶模块催化,在许多情况下,这些酶模块可以在不同生物体和底物类别之间互换。这些酶的同源物出现在与肠道微生物群和身体其他部位以及土壤和海洋等其他环境相关的革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌中。作为细菌碳水化合物新陈代谢的一部分,这种替代性分步机制似乎构成了糖降解的主要途径,但这种途径在很大程度上尚未被认识到,但却非常丰富。

  • 原文来源:https://www.nature.com/articles/s41586-024-07574-y
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    • 来源专题:战略生物资源
    • 编译者:李康音
    • 发布时间:2024-04-18
    • 2024年4月17日,洛克菲勒大学Luciano A. Marraffini、芝加哥大学Phoebe A. Rice共同通讯在Nature发表题为DNA glycosylases provide antiviral defence in prokaryotes的文章,发现了原核生物利用DNA糖基化酶防御病毒感染的新机制。迄今为止,这些酶在抗病毒免疫方面还不太被认可,然而作者指出其在细菌和噬菌体之间正在进行的进化军备竞赛中发挥着关键作用。通过创新实验方法,该团队绕过了现有基因组数据的限制,探索了环境DNA(eDNA)尚未开发的潜力,发现新的抗病毒防御机制。 这项研究始于一种策略性方法,通过用裂解大肠杆菌T4噬菌体感染携带土壤宏基因组DNA库的大肠杆菌来分离防御基因。该策略鉴定了一种以前未知的DNA糖苷酶Brig1,其特异性靶向并从T4噬菌体基因组中去除α-葡糖基羟甲基胞嘧啶(α-葡糖基hmC)核碱基。当Brig1作用于病毒DNA时,它会产生无碱基位点,有效地阻止病毒复制的进程。Brig1的特异性是显著的:它能够在体外降解T4噬菌体DNA,证明其直接参与阻碍病毒生命周期。经过仔细检查,发现Brig1是一种具有最低裂解酶活性的单功能糖基化酶,这意味着它能切除受损或修饰的碱基,而不会立即切割DNA的磷酸二酯酶骨架。相反,在适当的条件下,它会产生无碱基位点,导致β-消除反应后的双链DNA断裂。 作者通过分离成功绕过酶防御的“逃避者”噬菌体,进一步阐明了Brig1的有效性。对这些逃避者的基因分析揭示了T4α-葡糖基转移酶基因的突变,表明Brig1靶向噬菌体自身引入的葡糖基化标记。重要的是,该研究在不同细菌分支的不同细菌防御基因座中都检测到了Brig1的同源物,表明这些糖基化酶赋予了细菌对一系列T噬菌体的免疫力。Brig1对α-葡糖基hmC的特异性表明,T噬菌体可能进化出了羟甲基胞嘧啶的不同修饰模式,以逃避宿主编码的DNA糖苷酶(如Brig1)的识别和降解。 此外,该研究强调了Brig1和宿主DNA修复途径之间的相互作用。Brig1对病毒DNA的作用导致可能触发宿主修复机制的改变,随后进一步降解噬菌体基因组,从而放大抗病毒反应。 总的来说,这项研究展示了原核生物中一类以前未被识别的抗病毒蛋白——DNA糖基化酶——它们作为分子哨兵防御噬菌体入侵。Brig1及其同源物的发现为未来研究原核宿主及其病毒捕食者之间的动态相互作用开辟了令人兴奋的途径,对生物技术和理解宿主-病毒相互作用的自然进化具有重要意义。这项工作强调了筛选未测序DNA样本以揭示新型免疫系统的能力,并扩展了我们对细菌防御的复杂性和多功能性的了解,还指出存在更广泛的相关糖苷酶家族,每种糖苷酶都可能靶向不同噬菌体群体中hmC核碱基的不同修饰。
  • 《科学家揭示细菌使用CRISPR/Cas9的另一种方式》

    • 来源专题:生物安全知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者:xxw
    • 发布时间:2019-07-16
    • CRISPR/Cas9作为一种精确的基因编辑工具,近年来在生物技术领域受到广泛的关注。在人类重新利用CRISPR/Cas9之前,它是一种内部免疫系统细菌,通过切割噬菌体的DNA,来抵御噬菌体或感染细菌的病毒。 埃默里大学医学院(Emory University School of Medicine)和马克斯普朗克病原体科学研究所(Max Planck Unit for the Science ofPathogens)的科学家发现,CRISPR/Cas9的"剪刀"成分有时会卡住。Cas9是一种切割DNA的酶,它也可以在不进行任何切割的情况下阻止基因活动。在新凶手弗朗西丝氏菌(Francisella novicida)中,Cas9调控需要关闭的基因,使细菌致病。研究结果近日发表在《Molecular Cell》杂志上。 埃默里大学的微生物学家David Weiss博士和他的同事们几年前在寻找调节诺新凶手弗朗西丝氏菌毒性的基因时,已经发现了Cas9。novicida是引起tularemia的细菌的近亲,它生长在哺乳动物细胞内。为了阐明Cas9对毒性的重要性,他的实验室与德国Emmanuelle Charpentier博士领导的研究人员进行了合作。 研究人员发现,在F. novicida中,Cas9只调控4个基因,所有这些基因都必须关闭,这样细菌才能致病。在其DNA剪子/噬菌体防御作用中,Cas9是由一个互补于目标的RNA引导的。当Cas9作用于阻断基因活性时,Cas9使用不同的RNA引导序列,由于长度较短,不允许剪子剪切。在其他类型的细菌中,Cas9似乎对致病能力也很重要。 这篇论文的第一作者、研究生Hannah Ratner说:"这些发现增加了一种可能性,即在不同的细菌中,开启和关闭基因可能是Cas9的一种广泛功能。""这项研究提出的一个问题是,Cas9抑制转录的能力是否有助于解释大量未知的Cas9靶点。" 此外,研究人员能够对Cas9基因进行重新设计,以抑制一个新的靶点,即使细菌对最后一线抗生素产生耐药性的基因,从而使细菌对抗生素治疗重新敏感。 Ratner说:"同一种蛋白质具有多种不同功能的可编程性,这突出和扩展了Cas9在基因组工程应用中的惊人的通用性。"