【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，上?？萍即髮W(xué)生命學(xué)院孫博課題組、孫亞東課題組聯(lián)合上海交通大學(xué)生命學(xué)院馮雁課題組在細(xì)菌免疫機(jī)制研究領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。通過單分子操縱、共聚焦成像、結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)與生物化學(xué)等實(shí)驗(yàn)手段，系統(tǒng)解析了細(xì)菌防御系統(tǒng)DdmDE識(shí)別并清除外源質(zhì)粒的動(dòng)力學(xué)分子機(jī)制。相關(guān)成果以“The DdmDE defense system eradicates plasmids by target-centered bidirectional ssDNA loop extrusion and site-specific cleavage”為題，在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《分子細(xì)胞》(Molecular Cell)上發(fā)表。
 

　　細(xì)菌免疫系統(tǒng)通過識(shí)別并清除外源遺傳元件，在調(diào)控水平基因轉(zhuǎn)移(Horizontal Gene Transfer, HGT)及限制抗生素耐藥基因傳播的持續(xù)博弈中發(fā)揮核心作用。作為細(xì)菌免疫系統(tǒng)的重要組成部分，原核Argonaute(pAgo)系統(tǒng)近年來已成為生命科學(xué)領(lǐng)域研究熱點(diǎn)。與CRISPR-Cas相比，基于pAgo的防御系統(tǒng)展現(xiàn)出更為靈活的生化特性。首先，pAgo系統(tǒng)通常無需PAM序列，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)任意序列的精準(zhǔn)識(shí)別，拓寬了靶向范圍；其次，不同于CRISPR僅依賴RNA引導(dǎo)，pAgo可以利用短鏈DNA/RNA作為引導(dǎo)，并在高溫或常溫下直接靶向單鏈或雙鏈DNA/RNA，這種多功能的核酸判別能力使其在分子診斷和基因操作中具有天然優(yōu)勢(shì)。
 

　　2022年，科學(xué)家在霍亂弧菌中發(fā)現(xiàn)了一種新型的pAgo防御系統(tǒng)DdmDE。隨后，多個(gè)團(tuán)隊(duì)報(bào)道了該系統(tǒng)利用獨(dú)特的DdmE和DdmD雙蛋白協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)短入侵質(zhì)粒的清除。其中，DdmE作為一個(gè)無核酸酶活性的pAgo蛋白，利用guide DNA(gDNA)識(shí)別外源DNA；而DdmD具有解旋酶與核酸酶活性，被招募后實(shí)施具體的dsDNA解旋和切割工作。DdmE如何精準(zhǔn)識(shí)別出外源質(zhì)粒？?jī)蓚€(gè)蛋白如何實(shí)現(xiàn)高效協(xié)同？DdmD如何協(xié)調(diào)解旋酶和核酸酶活性？這些動(dòng)態(tài)過程背后的分子動(dòng)力學(xué)原理，正是理解細(xì)菌免疫防御多樣性、乃至開發(fā)新型生物技術(shù)工具所亟待攻克的核心科學(xué)問題。
 

　　本研究結(jié)合熒光共聚焦與光鑷技術(shù)，在單分子水平實(shí)現(xiàn)了對(duì)DdmDE識(shí)別并處理DNA過程的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)分析。研究發(fā)現(xiàn)，DdmE能夠敏銳發(fā)現(xiàn)并結(jié)合dsDNA力學(xué)張力(mechanical tension)誘導(dǎo)產(chǎn)生的氣泡結(jié)構(gòu)(DNA bubble)；不同于CRISPR-Cas9系統(tǒng)通過降低能壘穩(wěn)定R-loop結(jié)構(gòu)，DdmE-gDNA通過調(diào)控在DNA氣泡結(jié)構(gòu)上的解離速率來區(qū)分靶點(diǎn)與非靶點(diǎn)；鎖定靶點(diǎn)后，DdmE便充當(dāng)支架快速招募二聚化的DdmD；隨后DdmD以DdmE為中心，對(duì)抗高達(dá)數(shù)十皮牛的dsDNA負(fù)載，以ssDNA環(huán)擠出(loop extrusion)的方式雙向解旋dsDNA；最后，游離的DdmD蛋白快速結(jié)合新生成的ssDNA，并實(shí)現(xiàn)針對(duì)5'-G位點(diǎn)的序列特異性切割。
 

　　該工作系統(tǒng)解析了DdmDE系統(tǒng)清除外源質(zhì)粒的分子動(dòng)力學(xué)機(jī)制，發(fā)現(xiàn)了一種獨(dú)特DNA解旋模式，揭示了力學(xué)信號(hào)在細(xì)菌免疫識(shí)別中的重要作用，闡明了由分子馬達(dá)高效執(zhí)行的機(jī)械化學(xué)偶聯(lián)防御機(jī)制，為深入理解細(xì)菌免疫多樣性及開發(fā)新型生物技術(shù)工具提供了重要理論支撐。
 

　　上海交通大學(xué)博士生楊昊及上?？萍即髮W(xué)博士生宋曉萱、趙家錚為該論文的共同第一作者，孫博教授、馮雁教授及孫亞東教授為共同通訊作者。
 

　　引用：生命學(xué)院孫博/孫亞東聯(lián)合團(tuán)隊(duì)揭示細(xì)菌防御系統(tǒng)DdmDE清除質(zhì)粒的分子機(jī)制 上海科技大學(xué)【引用時(shí)間：2026年6年1日】