《Science | 大肠杆菌DNA旋转酶捕捉到DNA交叉的结构基础》

  • 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11日,法国斯特拉斯堡大学Valérie Lamour以及巴黎文理研究大学生物学研究所Marc Nadal课题组的研究人员在Science上发表了题为Structural basis of DNA crossover capture by Escherichia coli DNA gyrase的文章。

    DNA超螺旋必须由拓扑异构酶精确调节,以防止DNA缠结。IIA型DNA拓扑异构酶与两个DNA分子相互作用,使一个双链通过另一个双链的瞬时双链断裂进行传输,但由于结构仅来自缺乏拓扑约束的单线性双链DNA,这种相互作用仍然难以捉摸。

    该研究发现了大肠杆菌DNA旋转酶捕捉到DNA交叉的结构基础。研究人员利用冷冻电镜解析了大肠杆菌DNA螺旋酶与负超螺旋小环DNA结合的结构。研究人员展示了DNA螺旋酶如何捕捉一个DNA交叉点,揭示了容纳DNA螺旋的两个保守分子沟。结合分子镊实验,该结构显示DNA交叉点具有正手性,从而在单一结构中协调了螺旋酶介导的DNA松弛和超螺旋的结合步骤。

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    • 来源专题:战略生物资源
    • 编译者:李康音
    • 发布时间:2024-01-29
    • 2024年1月25日,英国剑桥MRC分子生物学实验室(MRC-LMB)的Jason Chin教授团队在Science杂志上发表了一篇题为Establishing a synthetic orthogonal replication system enables accelerated evolution in E. coli的文章。 大肠杆菌是分子生物学的主力军,其广泛用于基础科学研究和工业生产。它是研究最多也是研究最透彻的微生物,具有快速倍增时间(约20分钟),是基因克隆和蛋白质表达的首选宿主,多年来已经开发了大量的遗传工具。在过去的十年里,一个突出的挑战是在大肠杆菌中开发一套稳定的正交复制系统,从而使该宿主能够加速连续进化过程。然而,尽管已有诸多尝试,在大肠杆菌中还未能开发出稳定的正交复制系统。 该研究首次在大肠杆菌中利用烈性噬菌体PRD1的基因组复制机器开发出稳定的大肠杆菌正交复制系统,并成功应用于靶基因的连续进化。这篇文章打破了以往人们认为正交复制系统仅能从天然存在的线性质粒系统编辑而获得的认知,开发了仅需18bp ITR复制原点,可装载超过16.5kb 大片段DNA,且可灵活控制拷贝数的EcORep连续进化系统,为大肠杆菌内的快速连续进化提供了一个简单、稳定和可扩展的平台。这将大大加快各种分子生物学工具、生物医药和工业化学品生产菌株的开发。
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    • 来源专题:战略生物资源
    • 编译者:李康音
    • 发布时间:2024-04-21
    • 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。