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Cell | 韩春雨研究的Ago家族蛋白又出新功能?首次发现可参与DNA复制过程

日期:2020-09-11 14:57:35 来源: iNature 点击:

在许多真核生物中,由短RNA序列引导的Argonaute蛋白可以防御转座子和病毒的作用。在真细菌嗜热栖热菌(Thermus thermophilus)中,DNA引导的Argonaute TtAgo可以防御DNA质粒的转化过程。


2020年8月25日,麻省大学医学院Phillip D. Zamore团队在Cell 在线发表题为“Thermus thermophilus Argonaute Functions in the Completion of DNA Replication”的研究论文,该研究首次报道TtAgo参与DNA复制。

在体内,TtAgo结合15至18 nt的DNA向导,该向导来自染色体区域,在该区域复制终止并与已知在DNA复制中起作用的蛋白质结合。当唯一的II型嗜热菌拓扑异构酶-解旋酶被抑制时,TtAgo可使细菌完成其环状基因组的复制。解旋酶和TtAgo活性的丧失抑制了生长并产生了无法分离成单个细菌的长丝。最后,该研究发现在非选择性条件下,TtAgo赋予嗜热链球菌增长优势。总而言之,该研究表明TtAgo的主要作用是帮助嗜热链球菌解开由DNA复制产生的链状环状染色体。

另外,2020年7月30日,俄罗斯科学院分子遗传研究所Anton Kuzmenko等人在Nature 在线发表题为“DNA targeting and interference by a bacterial Argonaute nuclease”的研究论文,该研究探讨了来自丁酸梭菌(CbAgo)的细菌Argonaute核酸酶的体内活性。该研究证明CbAgo靶向多拷贝遗传元件,并抑制质粒的传播和噬菌体的感染。CbAgo诱导同源序列之间的DNA干扰,并在目标DNA的双链断裂处触发DNA降解。用特定于位点的小DNA向导加载CbAgo取决于其固有的内切核酸酶活性和细胞双链断裂修复机制。据报道在CRISPR适应过程中获得新的间隔子存在类似的相互作用,并且在CRISPR-Cas系统中丰富了编码pAgo核酸酶的原核基因组。这些结果确定了产生DNA干扰指南的分子机制,并提出了原核防御系统识别外来核酸的通用原理。


在所有的生命王国领域中,短核酸直接引导的Argonaute(AGO)蛋白在防御转座子,病毒和质粒起重要作用。真核AGO蛋白使用RNA介导的靶向途径,但是在生物体和小RNA途径之间,序列特异性RNA结合的后果有所不同。一些AGO蛋白充当可编程核酸内切酶,例如,在动物RNA干扰途径中,小的干扰RNA指导AGO2结合并切割广泛互补的靶RNA。与AGO1结合的植物microRNA(miRNA)也可直接切割其靶标。

相比之下,大多数动物miRNA结合仅与它们的序列部分互补的靶位点,然后组装一个多蛋白复合物,其中包括降解整个RNA的腺苷酸酶,脱帽酶和核酸外切酶。迄今为止,尚未鉴定出在体内使用DNA指导或直接结合或切割DNA的真核AGO。

相反,真细菌AGO蛋白可以使用RNA或DNA向导来结合或切割DNA。真细菌和古细菌的AGO长期以来一直是了解真核AGO功能的结构和生化模型。与原核AGO(pAGO)蛋白如何发现,结合和切割其RNA和DNA靶标的详细生物物理理解相反,对pAGOs的生物学功能了解甚少。在体内,缺乏内切核酸酶活性的球形红球菌Ago使用RNA向导并结合DNA靶标。MjAgo和CbAgo还显示出不依赖序列的核酸酶活性,可裂解双链DNA(dsDNA)。


尽管约17%的测序的真细菌基因组编码AGO蛋白,但在实验室中几乎不容易获得表达pAGO的细菌。因此,已经研究了几种pAGO(RsAgo,NgAgo,CbAgo和TtAgo)在大肠杆菌中的表达,这是一种嗜温菌,其基因组不编码AGO蛋白。

在体内,TtAgo降低了嗜热链球菌对DNA质粒转化的敏感性,当在大肠杆菌中产生时,TtAgo从质粒和大肠杆菌基因组中随机获取指导DNA。嗜热链球菌在一个大的圆形染色体(〜1.9 Mb)和一个(HB27菌株)或两个(HB8菌株)高达0.27 Mb的大质粒上编码其基因。每个细胞包含4-7个染色体和大质粒的拷贝,并且两者在子细胞之间随机分离。

在这里,该研究发现在体内TtAgo也参与DNA复制。TtAgo结合了来自染色体区域的小型DNA,在该区域复制终止并与已知在DNA复制中起作用的蛋白质结合。嗜热链球菌部署单一的II型拓扑异构酶,即解旋酶。当解旋酶被抑制时,嗜热链球菌依靠TtAgo完成其环状基因组的复制。解旋酶和TtAgo活性的丧失抑制了生长并产生了无法分离成单个细菌的长丝。最后,该研究发现在非选择性条件下,TtAgo赋予嗜热链球菌增长优势。总而言之,该研究表明TtAgo的主要作用是帮助嗜热链球菌解开由DNA复制产生的链状环状染色体。


参考消息:
https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.07.036



(责任编辑:tqh)

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