生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院肖湘團(tuán)隊揭示海洋噬菌體受DNA磷硫?；揎椉せ畹姆肿訖C理及其在dnd系統(tǒng)演化過程中的影響
????近日，國際重要學(xué)術(shù)期刊《Nature Communications》在線發(fā)表了上海交通大學(xué)深部生命國際研究中心肖湘團(tuán)隊的研究成果“The origin and impeded dissemination of the DNA phosphorothioation?system in prokaryotes”。生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院蹇華嘩副研究員、博士畢業(yè)生許冠鵬、在讀博士生弋伊為論文的共同第一作者，肖湘教授為通訊作者。生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院汪志軍副研究員、張岳副研究員，武漢大學(xué)王連榮教授，香港中文大學(xué)羅海偉副教授等為本文合作者。
由dnd基因簇介導(dǎo)的DNA磷硫?；≒T）修飾是首例報道的發(fā)生在DNA骨架上的修飾。dnd基因簇編碼的多個蛋白協(xié)同作用，構(gòu)成了微生物基因組中具有多種功能的表觀遺傳系統(tǒng)，它賦予了微生物包括抗氧化、限制修飾和抗病毒侵染等在內(nèi)的多種能力。有趣的是，相比其他修飾系統(tǒng)（如甲基化修飾），盡管dnd系統(tǒng)會給微生物帶來多種生存優(yōu)勢，但它們卻零散地分布在眾多的原核生物中。為了解答這一生態(tài)悖論，研究團(tuán)隊首先提出了科學(xué)假設(shè)：在通過水平基因轉(zhuǎn)移進(jìn)行傳播的過程中，dnd系統(tǒng)帶來的PT修飾可能影響了受體微生物的基因表達(dá)，特別是激活了在微生物基因組中廣泛分布的原噬菌體，從而導(dǎo)致受體微生物的生存劣勢，因此顯著限制了dnd系統(tǒng)的擴(kuò)散與分布。為驗證這一假設(shè)，我們系統(tǒng)地分析了細(xì)菌基因組中dnd基因及基因簇與原噬菌體分布之間的關(guān)系，結(jié)果顯示兩者呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)。進(jìn)一步地，以海洋絲狀噬菌體SW1及其宿主菌Shewanella piezotolerans?WP3作為模式系統(tǒng)的深入分析表明：PT修飾顯著影響了噬菌體調(diào)控蛋白FpsR的豐度及其與操縱子的結(jié)合親和力，從而解除了SW1原噬菌體的轉(zhuǎn)錄抑制。此外，在多個細(xì)菌（包括E.?coli, S. oneidensis?MR-1, S. putrefaciens?W3-18-1）中的接合轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化實驗結(jié)果，同樣證實了dnd基因簇的水平基因轉(zhuǎn)移受到原噬菌體的限制。綜合競爭性實驗、轉(zhuǎn)錄組和修飾組分析顯示，除原噬菌體基因之外，PT修飾還會影響海洋細(xì)菌 S. piezotolerans?WP3中多種代謝和抗逆相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄，從而導(dǎo)致其競爭適應(yīng)性的顯著降低。
圖1. PT修飾激活噬菌體SW1基因轉(zhuǎn)錄的分子機理
雖然dndBCDE?基因簇僅分別存在于1.82%和0.77%的細(xì)菌和古菌基因組中，但值得注意的是，它們在屬于藍(lán)細(xì)菌門的念珠藻目（Nostocales）中高度富集。對dnd系統(tǒng)關(guān)鍵蛋白?DndD和DndC的系統(tǒng)發(fā)育分析發(fā)現(xiàn)，藍(lán)細(xì)菌中的Dnd蛋白呈現(xiàn)獨立進(jìn)化分支，具有單起源特征。進(jìn)一步的進(jìn)化分析表明Dnd蛋白和藍(lán)細(xì)菌物種的系統(tǒng)發(fā)育位置關(guān)系顯著一致，提示dnd系統(tǒng)在藍(lán)細(xì)菌中是垂直遺傳的?；诙喾N證據(jù)，我們認(rèn)為dnd系統(tǒng)極有可能起源于古老的藍(lán)細(xì)菌（特別是Nostocales）。
圖2. 推測dnd系統(tǒng)的起源與演化過程
高壓環(huán)境在地球上的普遍分布，高壓導(dǎo)致的細(xì)胞內(nèi)過氧化是包括深海絲狀噬菌體SW1在內(nèi)溫和型噬菌體誘導(dǎo)的重要因素。本研究發(fā)現(xiàn)PT修飾同樣具有對噬菌體的激活作用；另一方面，已有的研究表明PT修飾的抗氧化功能可促進(jìn)微生物在高壓下的生長。這些證據(jù)提示我們高壓和PT修飾可能具有復(fù)雜的協(xié)同作用關(guān)系，驅(qū)動了包括噬菌體在內(nèi)的微生物演化，塑造了不同環(huán)境微生物所特有的時空分布特征。綜上所述，這項研究一方面揭示了dnd系統(tǒng)與細(xì)菌基因組中廣泛存在的原噬菌體之間的關(guān)系，及其在演化過程中的影響，解釋了造成dnd系統(tǒng)獨特分布特征的原因。另一方面，還首次提出了dnd系統(tǒng)可能起源的微生物類群，為了解地球環(huán)境演化過程中新的微生物功能基因簇的起源和傳播與地質(zhì)歷史重大事件（如大氧化事件）之間的關(guān)系提供了新的認(rèn)知。
本研究得到了國家重點研發(fā)計劃項目(2018YFC0309800)、國家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體項目(41921006)、國家自然科學(xué)基金水圈微生物重大研究計劃培育項目(91851113) 等資助。
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全文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-26636-7
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