这是广告

细菌“天然免疫”细节揭晓

 
 
细菌“天然免疫”细节揭晓  
 

当病毒入侵哺乳动物细胞时,最初识别病原DNA收到这一“情报”的蛋白发出信号,向下一个蛋白传递,环环相扣,激活天然免疫反应。哺乳动物细胞正是利用这样的多条天然免疫通路,介导免疫应答。

那么,细菌等原核细胞又是如何对外源DNA进行“天然免疫识别和应答”呢?

宿主细胞对病原DNA的免疫识别和应答(高璞供图)

北京时间2020年6月1日晚23点,《自然-微生物学》(Nature Microbiology)在线发表了中国科学院生物物理所高璞、章新政团队的最新研究成果。这项研究着眼一种细菌识别外源入侵DNA的免疫防御系统,即I型限制修饰(Type I R-M)系统。

研究人员利用冷冻电镜技术系统性解析了Type I R-M系统与靶标DNA及两种噬菌体抑制蛋白(Ocr和ArdA)的多种生理构象的三维结构,并配合突变及生化分析,揭示了该系统的组装、催化和调控机制。

6个步骤展开细节

Type I R-M系统广泛存在于原核生物中,可以对宿主自身DNA进行甲基化修饰,并对未经修饰的噬菌体DNA进行识别和切割,从而为宿主细胞提供强大的天然免疫保护。

高璞向《中国科学报》介绍,自1968年,这一系统被鉴定以来,许多研究人员利用微生物学、生物化学及分子生物学等手段对其开展了广泛研究。

“例如,我们已经知道:该系统包括的亚基(蛋白)种类、不同Type I R-M系统特异识别的靶标DNA序列、Type I R-M系统存在的组装方式、以及噬菌体编码蛋白可抑制该系统的活性等等。”

但是,在分子甚至原子水平上,仍然有很多问题未得到解答,包括:不同亚基之间如何相互作用并组装成有特定功能的复合物?Type I R-M系统是否以及如何通过构象变化来精确调控不同的酶活性?Type I R-M动态构象变化的结构基础是什么?噬菌体蛋白抑制Type I R-M系统酶活性的分子机制是什么?

为了回答这些问题,则必须了解Type I R-M系统在不同构象状态及组装方式下的结构信息。

多年来,高璞一直致力于揭示Type I R-M系统的组装、催化和调控机制。2011年,他在攻读博士期间,就解析了该系统DNA识别亚基的晶体结构。2017年,他与中科院生物物理所梁栋材院士课题组合作,解析了该系统甲基化酶复合物在不结合靶标DNA状态下的晶体结构。而此次的最新成果,则是他们团队与章新政课题组合作,解析了该系统多个生理状态下的冷冻电镜结构。

基于本项最新研究,研究人员将Type I R-M全酶的工作模型表述为以下6个步骤:

1、未结合靶DNA时,全酶复合物处于一种动态开放的Resting State;

2、结合靶DNA后,全酶复合物转变为紧凑的Translocation State,并将DNA定位于两个R亚基的Motor-1和Motor-2结构域之间;

3、通过水解ATP,两个R亚基开始催化DNA translocation,并将DNA从两端拉向Type I R-M复合物,进而形成特殊的DNA loop结构;

4、当DNA translocation受阻时,Type I R-M全酶转变为Intermediate State,此时仅有一个R亚基具有DNA translocase活性;

5、通过两个R亚基的协同作用,全酶复合物进入Restriction State,两个R亚基的Nuclease结构域和两个M亚基的Catalytic结构域均靠近DNA,发挥DNA切割和甲基化修饰功能;

6、切割和修饰结束后,全酶复合物与DNA相互分离并返回到初始的Resting State。

Type I R-M全酶复合物的工作模型图(高璞供图)

冷冻电镜助力“凝固”瞬间

为了更清楚的理解上述状态转变过程,研究人员在冷冻电镜的帮助下“凝固”了其中的多个瞬间。

“首先实验的第一步是要获得高质量的复合物样品,我们采取细胞内共表达以及体外重组相结合的方式,以经典的Type I R-M系统EcoR124I为研究对象,制备了核心复合物M2S1以及全酶复合物R2M2S1。然后,进一步获得了它们与靶标DNA及两种噬菌体抑制蛋白(Ocr和ArdA)的复合物样品。”高璞表示。

接下来,研究人员利用冷冻电镜单颗粒重构方法,摸索了上述多种复合物样品的制样及数据收集条件,并解析了不同分辨率的共10种状态的三维结构。

Type I R-M系统10种不同生理构象的冷冻电镜结构(高璞供图)

这是广告

相关文章

这是广告

必填

必填

这是广告