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【科研动态】华中科技大学生命学院朱斌教授团队揭示Gabija防御系统核心机制并发现新型DNA内切酶

作者:编辑:李镀锋 时间:2021-04-23 点击量:

(通讯员:陆雪玲)2021年4月22日,华中科技大学生命学院朱斌教授团队在国际权威期刊《核酸研究》(Nucleic Acids Research)发表题为“A nucleotide-sensing endonuclease from the Gabija bacterial defense system”的研究论文。


论文链接https://academic.oup.com/nar/advance-article/doi/10.1093/nar/gkab277/6246397?guestAccessKey=952f9520-ce27-4868-b506-760e056433bc

亿万年来,自然界数量最大的两类微生物细菌及其病毒(噬菌体)之间进行着一场规模巨大旷日持久的攻防战争,尽管悄无声息肉眼难见,这场战争却是维持生态平衡以及推动生物进化的重要力量。面对环境中数十倍于自身的噬菌体,细菌进化出了精彩纷呈的防御手段。由于大多数细菌防御的核心机制是特异性切割噬菌体DNA,解析清楚的相关机制可以被用于生物技术中特异性加工各种生物的DNA。最经典的例子是限制修饰系统和CRISPR/Cas系统的解析分别带来了基因工程和基因编辑的革命,均被授予诺贝尔奖。近期CRISPR系统带来的巨大影响引发了人们对其它未知细菌防御系统的关注。最近宏基因组生物信息学分析预测了大量潜在的未发掘防御系统,其中一个是存在于8.5%已测序细菌和古菌基因组之中的以立陶宛神话守护女神命名的Gabija防御系统,仅由GajAGajB两个基因组成,转入这两个基因的大肠杆菌可以完全抵御烈性噬菌体T7的侵染。但这两个基因编码蛋白质的具体功能及其抗病毒机理无法推断。

朱斌教授课题组基于长期的核酸代谢酶研究基础对Gabija系统分子机制开展研究,发现GajA是一个序列特异性的DNA切刻酶,其利用一个通常水解ATP以增强内切酶活性的结构域感知环境的NTPdNTP浓度,但NTPdNTP并不增强相反却严重抑制GajA活性。GajA的功能揭示了Gabija防御系统的核心机制:细菌正常生长时GajA的切割DNA活性被细胞内高浓度NTPdNTP完全抑制,不影响细菌生长。噬菌体侵入后高强度的转录和DNA复制活性大大降低了细胞内NTPdNTP浓度,使GajA活性得以激活,而GajB可能帮助GajA激活,GajA对噬菌体和细菌自身DNA进行切割,使噬菌体复制失败侵染终止。与限制修饰系统和CRISPR系统相比,Gabija防御系统十分简洁高效。


华中科技大学生命学院博士后成锐为论文第一作者,华中科技大学为论文第一单位,华中科技大学生命学院教授朱斌为通讯作者。本研究受到国家自然科学基金及深圳市基础研究基金支持。


 

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