韓春雨研究的Ago家族蛋白又出新功能？發現參與DNA複製過程

2020-09-05 愛科學愛自然

在許多真核生物中，由短RNA序列引導的Argonaute蛋白可以防禦轉座子和病毒的作用。在真細菌嗜熱棲熱菌（Thermus thermophilus）中，DNA引導的Argonaute TtAgo可以防禦DNA質粒的轉化過程。

2020年8月25日，麻省大學醫學院Phillip D. Zamore團隊在Cell 在線發表題為「Thermus thermophilus Argonaute Functions in the Completion of DNA Replication」的研究論文，該研究首次報導TtAgo參與DNA複製。

在體內，TtAgo結合15至18 nt的DNA嚮導，該嚮導來自染色體區域，在該區域複製終止並與已知在DNA複製中起作用的蛋白質結合。當唯一的II型嗜熱菌拓撲異構酶-解旋酶被抑制時，TtAgo可使細菌完成其環狀基因組的複製。解旋酶和TtAgo活性的喪失抑制了生長並產生了無法分離成單個細菌的長絲。最後，該研究發現在非選擇性條件下，TtAgo賦予嗜熱鏈球菌增長優勢。總而言之，該研究表明TtAgo的主要作用是幫助嗜熱鏈球菌解開由DNA複製產生的鏈狀環狀染色體。

另外，2020年7月30日，俄羅斯科學院分子遺傳研究所Anton Kuzmenko等人在Nature 在線發表題為「DNA targeting and interference by a bacterial Argonaute nuclease」的研究論文，該研究探討了來自丁酸梭菌（CbAgo）的細菌Argonaute核酸酶的體內活性。該研究證明CbAgo靶向多拷貝遺傳元件，並抑制質粒的傳播和噬菌體的感染。CbAgo誘導同源序列之間的DNA幹擾，並在目標DNA的雙鏈斷裂處觸發DNA降解。用特定於位點的小DNA嚮導加載CbAgo取決於其固有的內切核酸酶活性和細胞雙鏈斷裂修復機制。據報導在CRISPR適應過程中獲得新的間隔子存在類似的相互作用，並且在CRISPR-Cas系統中豐富了編碼pAgo核酸酶的原核基因組。這些結果確定了產生DNA幹擾指南的分子機制，並提出了原核防禦系統識別外來核酸的通用原理（點擊閱讀）。



在所有的生命王國領域中，短核酸直接引導的Argonaute（AGO）蛋白在防禦轉座子，病毒和質粒起重要作用。真核AGO蛋白使用RNA介導的靶向途徑，但是在生物體和小RNA途徑之間，序列特異性RNA結合的後果有所不同。一些AGO蛋白充當可編程核酸內切酶，例如，在動物RNA幹擾途徑中，小的幹擾RNA指導AGO2結合併切割廣泛互補的靶RNA。與AGO1結合的植物microRNA（miRNA）也可直接切割其靶標。


相比之下，大多數動物miRNA結合僅與它們的序列部分互補的靶位點，然後組裝一個多蛋白複合物，其中包括降解整個RNA的腺苷酸酶，脫帽酶和核酸外切酶。迄今為止，尚未鑑定出在體內使用DNA指導或直接結合或切割DNA的真核AGO。


相反，真細菌AGO蛋白可以使用RNA或DNA嚮導來結合或切割DNA。真細菌和古細菌的AGO長期以來一直是了解真核AGO功能的結構和生化模型。與原核AGO（pAGO）蛋白如何發現，結合和切割其RNA和DNA靶標的詳細生物物理理解相反，對pAGOs的生物學功能了解甚少。在體內，缺乏內切核酸酶活性的球形紅球菌Ago使用RNA嚮導並結合DNA靶標。MjAgo和CbAgo還顯示出不依賴序列的核酸酶活性，可裂解雙鏈DNA（dsDNA）。



儘管約17％的測序的真細菌基因組編碼AGO蛋白，但在實驗室中幾乎不容易獲得表達pAGO的細菌。因此，已經研究了幾種pAGO（RsAgo，NgAgo，CbAgo和TtAgo）在大腸桿菌中的表達，這是一種嗜溫菌，其基因組不編碼AGO蛋白。


在體內，TtAgo降低了嗜熱鏈球菌對DNA質粒轉化的敏感性，當在大腸桿菌中產生時，TtAgo從質粒和大腸桿菌基因組中隨機獲取指導DNA。嗜熱鏈球菌在一個大的圓形染色體（〜1.9 Mb）和一個（HB27菌株）或兩個（HB8菌株）高達0.27 Mb的大質粒上編碼其基因。每個細胞包含4-7個染色體和大質粒的拷貝，並且兩者在子細胞之間隨機分離。


在這裡，該研究發現在體內TtAgo也參與DNA複製。TtAgo結合了來自染色體區域的小型DNA，在該區域複製終止並與已知在DNA複製中起作用的蛋白質結合。嗜熱鏈球菌部署單一的II型拓撲異構酶，即解旋酶。當解旋酶被抑制時，嗜熱鏈球菌依靠TtAgo完成其環狀基因組的複製。解旋酶和TtAgo活性的喪失抑制了生長並產生了無法分離成單個細菌的長絲。最後，該研究發現在非選擇性條件下，TtAgo賦予嗜熱鏈球菌增長優勢。總而言之，該研究表明TtAgo的主要作用是幫助嗜熱鏈球菌解開由DNA複製產生的鏈狀環狀染色體。


參考消息：

https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.07.036

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    Zamore團隊在Cell 在線發表題為「Thermus thermophilus Argonaute Functions in the Completion of DNA Replication」的研究論文，該研究首次報導TtAgo參與DNA複製。
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