引言

基因平行转移（Horizontal Gene Transfer, HGT）是个体之间进行遗传物质交换的重要过程。遗传物质的交换和重组推动着生物体适应多变的自然环境，同时也带来了严重的风险。细菌中，质粒是基因平行转移的重要载体，有可能破坏细菌基因组的稳定性和完整性。为了应对这些风险，细菌演化出了多种质粒防御系统，例如SPARTA系统。2023年7月，傅天民团队曾在Nature上发文报道SPARTA的组装与激活机制。DdmDE是一类最新发现的质粒防御系统。2022年，瑞士洛桑联邦理工学院的Blokesch课题组在霍乱弧菌中发现DdmDE系统。该系统由两个蛋白质组成：DdmD和DdmE。序列分析发现DdmD包含超家族II（SF2）解旋酶结构域和一个PD-(D/E)XK核酸内切酶结构域的蛋白质。DdmE是一种类Argonaute蛋白，含有MID结构域和PIWI-like结构域。体内遗传学研究表明DdmD和DdmE协作抵抗质粒侵袭，善于清除长度较短、多拷贝质粒（<10kb）。2024年8月21日，美国俄亥俄州立大学医学院的傅天民研究团队，在Cell杂志上发表了题为DdmDE eliminates plasmid invasion by DNA-guided DNA targeting 的研究论文，报道了DdmDE介导的质粒清除的分子机制。研究团队通过生化分析、结构解析和活性实验详细阐明了 DdmDE系统的组装和激活机制：1. 解析了DdmD的高分辨率结构，并发现DdmD形成同源二聚体。二聚体阻碍了核酸底物的释放，因此，DdmD解旋酶的活性处于自抑制状态。2. 解析了DdmD、DdmE和核酸底物的复合物结构。DdmE包含所有Argonaute蛋白的典型结构域，包括N、L1、PAZ、L2、MID和PIWI结构域，以及一个额外的DID结构域，可以加强与DdmD的相互作用。3. DdmE是一个无核酸酶催化活性的、由DNA引导识别靶向DNA的Argonaute类蛋白，且偏好于结合5’磷酸化修饰的、长度小于14个核苷酸的引导DNA（guide DNA）。4. 在guide DNA的引导下，DdmE结合到质粒上，形成了DNA D-loop，进而招募DdmD二聚体到质粒上。

5. DdmD二聚体结合forked-DNA后会发生解离，DdmD单体在质粒DNA上移动并发挥切割活性，进而清除质粒。

模式图（Credit: Cell）

综上所述，本研究提供了对DdmDE系统作为一种DNA引导的DNA靶向抗质粒防御系统的全面理解。这些发现不仅丰富了我们对细菌防御机制的认识，也为未来在合成生物学中开发新工具提供了新的可能性。

参考文献

https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.07.028

责编|探索君

排版|探索君

文章来源|“BioArt”

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