近日，上海交通大學生命科學技術學院、微生物代謝國家重點實驗室吳更教授與武漢大學王連榮、陳實教授團隊合作，揭示了細菌DNA硫化修飾中催化第一步反應的半胱氨酸脫硫酶發生構象變化，使其活性位點半胱氨酸朝向底物半胱氨酸移動5.5埃以發起攻擊的催化機制。最新研究成果以「Structural Analysis of an L-Cysteine Desulfurase from an Ssp DNA Phosphorothioation System」為題發表在《mBio》雜誌上。劉立瓊等為第一作者，吳更、王連榮為通訊作者，上海交通大學生命科學技術學院、微生物代謝國家重點實驗室為第一單位。本文是團隊自2018年Nature Communications上發表的細菌採用SBD結構域識別硫化修飾DNA的結構機理及2020年Nature Microbiology上發表的II型DNA硫化修飾系統的SspB、SspE晶體結構的延續和擴展。
在細菌的DNA硫化修飾（不管是早先發現的Dnd修飾系統還是新近發現的Ssp修飾系統）途徑中，都由一個半胱氨酸脫硫酶催化第一步的反應，即半胱氨酸脫硫酶的活性位點半胱氨酸對底物半胱氨酸上的硫原子發起親核攻擊反應，將活化的硫原子轉移到半胱氨酸脫硫酶的活性位點半胱氨酸上，以進行後續的將硫原子加進DNA的反應。2020年4月初團隊在Nature Microbiology上發表的文章「SspABCD-SspE is a phosphorothioation-sensing bacterial defense system with broad antiphage activities」，從探索海洋弧菌的高頻單鏈磷硫醯化修飾入手，通過比較基因組學和分子遺傳學手段，鑑定出以SspABCD為修飾元、SspE為限制元的單鏈磷硫醯化限制-修飾系統。該系統與之前發現的磷硫醯化（以DndABCDE為修飾元以產生雙鏈DNA磷硫醯化、DndFGH為限制元）的Dnd系統均迥然不同，並首次闡明了細菌磷硫醯化限制-修飾系統賦予宿主抑制噬菌體入侵的能力。同時，通過結構生物學和生物化學手段，解析了SspB蛋白的晶體結構，揭示其兩個保守motif的關鍵殘基對其DNA缺刻酶活性非常重要；解析了SspE蛋白的晶體結構，發現其N端結構域有依賴於DNA磷硫醯化修飾的NTP水解酶活性，而其C端結構域有DNA缺刻酶活性，從而闡明了該系統DNA磷硫醯化修飾與限制兩部分功能耦合的分子機理。研究還發現SspABCD作為修飾蛋白在宿主基因組DNA上產生磷硫醯化修飾，SspE作為限制元能夠感應基因組DNA上的磷硫醯化修飾從而區別宿主自身與外源的遺傳物質，並利用其核酸酶活性對入侵噬菌體的DNA進行大範圍的缺刻，從而抑制噬菌體DNA的複製。
本研究解析了新發現的II型DNA硫化修飾系統中的半胱氨酸脫硫酶SspA（來源於弧菌）與底物半胱氨酸的複合物晶體結構，解析度為1.8埃。結構揭示SspA通過其天冬醯胺N150和精氨酸R340殘基來識別底物半胱氨酸，如果將這兩個殘基突變則會嚴重破壞細菌的DNA硫化修飾。在結構中，SspA的活性位點半胱氨酸C314與底物半胱氨酸的距離長達8.9埃，這就產生了一個有趣的問題——SspA是怎麼催化脫硫反應的？通過計算機分子動力學模擬，作者發現SspA的活性位點半胱氨酸C314在催化過程中向底物半胱氨酸移動了5.5埃，從而把它們之間的距離縮短到便於發生反應的範圍內。本研究通過簡正模式分析，發現弧菌的SspA、大腸桿菌的IscS、鏈黴菌的DndA（這兩個都是I型DNA硫化修飾系統的）的活性位點半胱氨酸雖然處在不同的相對位置和不同的二級結構上，但都有著向各自的底物半胱氨酸的運動。
本研究進一步通過在上海光源BL19U2生物小角X射線散射（簡稱SAXS）線站收集的數據，從頭搭建了SspA在溶液中結構的分子模型。發現SspA在溶液中的結構與分子動力學模擬後SspA的結構更為接近，它們之間的SAXS數據的χ2偏差只有1.04埃，遠低於從SspA的晶體結構推算出的SAXS數據之間的χ2偏差3.70埃。這從實驗上證實了前述的計算機分子動力學模擬和簡正模式分析的結果。
弧菌SspA的活性位點半胱氨酸在催化過程中，活性位點半胱氨酸朝向底物半胱氨酸移動了5.5埃的距離
（A）分子動力學模擬 （B）簡正模式分析
（C）小角X射線散射實驗數據與晶體結構經過分子動力學模擬後的結果和晶體結構的比較
本研究通過X射線晶體結構解析、分子動力學模擬、小角X射線散射等多種研究手段的結合，揭示了細菌DNA硫化修飾這一神奇現象中催化關鍵的第一步半胱氨酸底物脫硫反應的酶的催化機理，解答了半胱氨酸脫硫酶家族是如何克服活性位點半胱氨酸與底物半胱氨酸之間很長的距離這一長期懸而未決的問題，使人們對於細菌DNA硫化修飾的認識和理解又前進了一步。該研究獲國家自然科學基金（31872627、31670106）的支持。