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DdmE作為DNA引導的原核生物Argonaute的研究

更新時間:2024-07-20  |  點擊率:393

近年來,隨著生物技術的飛速發(fā)展,科學家們在基因編輯和防御系統(tǒng)領域取得了諸多突破性進展。哥倫比亞大學的研究人員利用低溫電子顯微鏡(cryo-EM)深入研究了霍亂弧菌中的DdmDE防御系統(tǒng),揭示了其質粒消除的分子機制。這一發(fā)現(xiàn)不僅為理解原核生物如何抵御外來遺傳元件提供了新視角,也為未來基因工程工具的開發(fā)奠定了基礎。

 

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DdmDE系統(tǒng)概述

DdmDE系統(tǒng)是病原體中一種重要的質粒防御機制,它與另一種防御系統(tǒng)DdmABC共同存在,并在第七次大流行的O1 El Tor (7PET)菌株中發(fā)揮了關鍵作用。DdmDE系統(tǒng)通過直接降解小型多拷貝質粒,有效抵御了這些外來遺傳元件的入侵。

 

DdmEDNA引導的原核生物Argonaute

研究發(fā)現(xiàn),DdmE是一種DNA引導的原核生物ArgonautepAgo)蛋白。Argonaute蛋白是真核和原核生物共有的免疫蛋白,具有核酸介導的核酸識別與切割功能。然而,與真核生物中的Ago蛋白不同,原核生物中的Ago蛋白往往通過DNA介導的DNA切割來發(fā)揮免疫功能。

 

哥倫比亞大學的研究團隊通過低溫電子顯微鏡技術,解析了DdmDE系統(tǒng)的結構基礎。他們發(fā)現(xiàn),DdmE作為一種催化失活、DNA引導的DNA靶向pAgo,具插入結構域。DdmE使用短DNA片段(通常小于15個核苷酸)作為向導,精確靶向并識別質粒DNA

 

DdmD:解旋酶-核酸酶的協(xié)同作用

DdmDDdmDE系統(tǒng)中的另一個關鍵組件,它是一種融合蛋白,包含解旋酶和核酸酶結構域。DdmD以自抑制的二聚體形式存在,在沒有DNA引導的DdmE的情況下,DdmD在體外對雙鏈DNA質粒不表現(xiàn)出顯著的核酸酶活性。然而,當DdmEDNA結合后,會觸發(fā)DdmD二聚體的解體,并將單體DdmD加載到非靶標DNA鏈上。

 

體外研究表明,DdmDATP的驅動下,沿5′-3′方向轉運并部分降解質粒DNA。這一過程中,DdmD的解旋酶結構域解開DNA雙鏈,而核酸酶結構域則切割單鏈DNA,從而實現(xiàn)對質粒的有效降解。

 

DdmDE系統(tǒng)的機制與潛在應用

DdmDE系統(tǒng)的機制與ICRISPR-Cas系統(tǒng)存在顯著的相似之處。在ICRISPR-Cas系統(tǒng)中,RNA引導的效應復合物Cascade將解旋酶-核酸酶融合蛋白Cas3招募到非靶標DNA鏈上,隨后Cas3通過反復解旋和切割DNA來降解靶標。這種相似性提示,DdmDE系統(tǒng)未來可能被改造為基因編輯工具,用于靶向并消除細菌中的特定質?;蚧?。

 

此外,DdmDE系統(tǒng)還可能被用于開發(fā)新型抗菌策略。通過向細菌中遞送特定的DNA向導,可以激活DdmDE系統(tǒng),從而消耗或消除細菌菌株。這種基于DdmDE的抗菌策略有望為應對耐藥菌感染提供新的解決方案。

 

結論

哥倫比亞大學的研究團隊通過低溫電子顯微鏡技術揭示了DdmDE系統(tǒng)的質粒消除機制,為理解原核生物基因組防御系統(tǒng)提供了新的視角。DdmE作為DNA引導的原核生物Argonaute蛋白,在DdmDE系統(tǒng)中發(fā)揮了關鍵作用,通過與DdmD的協(xié)同作用實現(xiàn)了對質粒的有效降解。未來,DdmDE系統(tǒng)有望成為基因編輯和抗菌治療領域的重要工具,為生物技術和醫(yī)學的發(fā)展開辟新的道路。


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