Science:ZGTC!赵素文/张雁等揭示被病病毒扩展的遗传密码

2021
05/02

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生物世界
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利用研究人员发现的 Z 基因组合成机制,可实现低成本量产含 Z 的 DNA,并拓展其在新材料制备、信息存储等多方面的应用。

DNA 是生命体的主要遗传物质,决定生物的多样性和特征。1953 年沃森和克里克解析了 DNA 的双螺旋结构,两条链之间存在特异性的碱基配对。A 和 T 配对形成两个氢键,G 和 C 配对形成三个氢键。


然而 1977 年前苏联科学家在一株感染蓝细菌的噬菌体中发现不含 A,由 Diaminopurine Z、G、C、T 组成的 DNA (Z - 基因组)。Z - 基因组里的 Z 与 T 配对形成三个氢键改变了 DNA 的各种理化性质。


44 年以来,感染蓝细菌的这株噬菌体是已知的唯一一种含 Z 基因组的生物, Z-基因组的合成机制,生物功能和普遍性一直未解。


2021 年 4 月 30 日,上海科技大学赵素文团队、天津大学张雁团队、美国伊利诺伊大学赵惠民团队合作,在 Science 发表了题为:A widespread pathway for substitution of adenine by diaminopurine in phage genomes 的研究论文,对这项世纪之谜进行了探究,发现这种 Z 基因组噬菌体遍布全球,并且解析了噬菌体 Z - 基因组的生物合成途径。



PurZ 是合成 Z 前体的关键酶


研究人员通过噬菌体基因组功能注释和同源序列分析发现多个噬菌体中存在合成 Z 前体的关键酶 PurZ,噬菌体的 PurZ 和宿主的 PurB 通过两步反应实现底物 dGMP 6 位的氨基化生成 dZMP。


PurZ 的底物是 dGMP (单磷酸脱氧鸟苷) ,ATP (三磷酸腺苷) 和 Asp (天冬氨酸) 。 体外质谱实验表明 PurZ、PurB 和 GK 三步酶促反应可以生成 dZTP 然后 dZTP 作为底物被 DNA 聚合酶催化进入噬菌体基因组中


dATPase 和 DUF550 是消除 A 的关键酶

研究人员在含 PurZ 的基因簇上发现了两个特异的金属依赖的磷酸水解酶 dATPase 和 DUF550。dATPase 是三磷酸水解酶特异性地水解 dATP 生成 dA,从而防止 dATP 进入噬菌体基因组。dATPase 还具有水解 dADP 和 dAMP 的活性,都是从核苷和磷酸的根部水解底物生成 dA。DUF550 是 dATP/dGTP 焦磷酸水解酶,它可以进一步地消除 dATP。其水解 dGTP 生成的 dGMP 为 PurZ 提供了更多的底物进而有利于 Z 前体的合成。


噬菌体 SH-Ab 15497 中证实含有 Z - 基因组

噬菌体 SH-Ab 15497 是感染耐药鲍曼不动杆菌的一株噬菌体,临床上已有利用噬菌体治疗耐药菌的病例。证实这株噬菌体编码的 PurZ,dATPase 和 DUF550 的活性后,研究人员利用液相色谱 - 紫外分析方法,在该噬菌体 DNA 生物酶水解产物中检测到了四种对应的核苷 (dC, dG, dT, dZ) ,其中 dZ:dT 配对的摩尔比和 dG:dC 配对的摩尔比都接近 1:1

实验结果表明 噬菌体 SH-Ab 15497 中也含有 Z - 基因组,蓝细菌的这株噬菌体并不是唯一的特例 。由于普通 DNA 测序手段并不能发现 Z 的存在,研究人员利用第三代测序 - 纳米孔测序进一步表明该噬菌体为 Z - 基因组而其宿主基因组为正常 DNA。


含 Z - 基因组的噬菌体逃避宿主的限制性内切酶

研究人员通过体外的酶切实验发现识别位点中含有 A 的限制性内切酶不能切割噬菌体 SH-Ab 15497 的 Z - 基因组。EcoRⅠ 和 PstⅠ 为宿主的限制性内切酶,酶切位点中都还有 A。TaqⅠ 很特殊,文献报道其可以切割包括 Z - 基因组在内的多种完全修饰的 DNA (作为实验正对照)

 

总的来说, 该研究解析了噬菌体 Z - 基因组复杂的生物合成途径,发现含 Z - 基因组的噬菌体逃避宿主限制性内切酶切割, 证实了地球上广泛存在含 Z - 基因组的噬菌体。


利用研究人员发现的 Z 基因组合成机制,可实现低成本量产含 Z 的 DNA,并拓展其在新材料制备、信息存储等多方面的应用。这种特殊 DNA 不被细菌的防御机制识别,为制备广谱性杀菌噬菌体及其在生物医药、畜牧养殖、食品安全等领域的应用提供了广阔前景。

论文链接:
https://science.sciencemag.org/cgi/doi/10.1126/science.abe4882


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关键词:
基因组,DNA,病毒,遗传,磷酸,水解

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