专访上海交大贺新义：DNA新元素研究新成果

　　

生物通报道：自2007年邓子新院士团队发现DNA上第六元素：硫元素以来，他们就瞄准了这一倍受关注的研究领域，近期这一研究组又接连发表了DNA硫修饰研究方面的几项重大成果，充分显示了我国在此前沿新兴领域持之以恒的开拓性和创新性。为了更深入了解这一研究成果，生物通编辑特联系了其中一篇文章的通讯作者：上海交通大学副教授贺新义老师，就读者感兴趣的一些问题请教了他。

生物通：DNA骨架硫修饰研究意义重大，最新这篇《PLoS Genetics》文章发现了能切割硫修饰过的DNA的酶，这对于了解这一修饰的生理功能具有什么重要的意义呢？

贺老师：DNA骨架上硫修饰在细菌中非常普遍，编码合成DNA磷硫酰化修饰的基因簇基本上位于可移动的遗传因子上，如质粒、假噬菌体、基因组岛或转座子上。它们被认为是通过基因的平行转移获得的。变铅青链霉菌中的DNA硫化修饰基因簇就是位于一个93KB的基因组岛上，我们这篇文章报道了天蓝色链霉菌中编码了另外一个基因组岛，它的最后一个基因就是负责切割硫化修饰过的DNA。这两个基因组岛都可以从染色体上自我环出，并且是水火不容的。我们知道，很多常规的核酸酶是没有办法切割磷硫酰化修饰过的DNA，这可能是DNA硫化修饰给细胞染色体带来的好处之一吧，但是我们这篇文章偏偏找到了一个硫修饰依赖型的核酸酶，它可以切割DNA骨架上的磷硫酰化修饰，我们推测，这些物种可能为了在进化过程中保证其遗传物质的高保真性，以自杀的形式销毁掉被修饰过的染色体，从而保证物种在传递过程中的忠实性。这也可能是大自然进化出的一种防止DNA硫修饰大规模传播，影响其它物种表观遗传的机制吧。对于硫修饰生物学的真正意义的探索还需要很艰苦的探索。

生物通：这种酶（ScoMcrA）能切割硫修饰和甲基化修饰的DNA，这与其它甲基化修饰依赖性限制酶有何区别吗？

贺老师：我们发现的ScoMcrA蛋白可以特异性识别被Dcm修饰过的DNA，这是第一例在体外能够表征的McrA蛋白，很多其它IV型限制酶识别的序列非常单一，通常就是1-2个碱基，除了被修饰的碱基之外，边上紧邻的碱基一般是简并的，它的切割位点位于修饰碱基一侧。而ScoMcrA却特异性的识别Cm5C(A/T)GG,切割的位点位于修饰碱基m5C上下游12-16 bp的位置。与所有已发现的甲基化修饰依赖性限制酶不一样的是，它可以识别和比较特异性的切割Dcm蛋白甲基化的DNA和磷硫酰化修饰的DNA，而DNA碱基上的修饰和DNA骨架上磷酸二酯键的修饰在DNA双螺旋上所处的位置很不一样，这一个酶是如何做到同时识别这两种修饰形式的DNA的，值得进一步的探究。

生物通：在这项研究中贵研究组主要采用的是什么实验方法，其中的难点是什么呢？

贺老师：我们首先是在天蓝色链霉菌中发现了这种限制现象，但是，找寻这个限制酶或系统的候选基因是这个工作的关键。我们尝试了多种方法，最后都失败了，偶然，我们看到别人刚刚发表了一个工作，是关于天蓝色链霉菌和变铅青链霉菌全基因组芯片杂交的。利用它们的结果，结合我们当时的理解和推测，一下子就找到了这个候选基因。

但是后期酶学体外工作给我们带来了很多麻烦，因为这个酶需要异常的金属离子Mn2+或者是Go2+和比较极端的PH9.0值，而且作用时间多过5分钟，没有被修饰过的DNA就会在这种极端的条件下也会被切割，幸好当时结合体内遗传学试验结果，对我们的结论没有动摇。最后，这篇文章的第一作者刘光同学花了大量时间和精力摸索这个新型限制酶最佳反应条件，重复性很好地完成了这个酶的体外切割实验。

生物通：自贵研究组07年首次发现了这一DNA骨架新元素以来，这一领域的研究蓬勃发展，您认为这一领域未来的发展趋势是什么呢？

贺老师：这个问题，邓子新教授很早就已经做好了布局。第一方面是DNA硫修饰的生化途径，也就是负责合成DNA磷硫酰化修饰的这5个蛋白是如何将硫掺入到DNA骨架上；第二，就是这种修饰的生物学意义，这个问题是我们追求的终极目标，需要艰苦的探索，较多的人力和精力，以及多科学手段。

生物通：近期美国的科学家发现了“砷基生命”，提出构成生命的基本元素可以由其他元素取代，引发了多方关注，您对此有何看法呢？

贺老师：我个人的感觉是随着生命科学研究的不断发展，DNA只含有C、H、O、N和P的经典概念正在快速被颠覆。虽然，12月2号这篇Science文章的作者并没有报道含砷DNA的确切化学结构。但是，我相信DNA骨架上约来越多的新的修饰会被揭示出来，这从另外一个方面也说明了DNA硫修饰这项首创的工作，让其他的科学家敢于假设DNA骨架上有砷新颖的修饰。

欲了解更多信息，请查看：
http://life.sjtu.edu.cn/microbiology/show.aspx?info_lb=104&info_id=162&flag=10

（生物通：王蕾）

原文摘要：
Cleavage of Phosphorothioated DNA and Methylated DNA by the Type IV Restriction Endonuclease ScoMcrA

Many taxonomically diverse prokaryotes enzymatically modify their DNA by replacing a non-bridging oxygen with a sulfur atom at specific sequences. The biological implications of this DNA S-modification (phosphorothioation) were unknown. We observed that simultaneous expression of the dndA-E gene cluster from Streptomyces lividans 66, which is responsible for the DNA S-modification, and the putative Streptomyces coelicolor A(3)2 Type IV methyl-dependent restriction endonuclease ScoA3McrA (Sco4631) leads to cell death in the same host. A His-tagged derivative of ScoA3McrA cleaved S-modified DNA and also Dcm-methylated DNA in vitro near the respective modification sites. Double-strand cleavage occurred 16–28 nucleotides away from the phosphorothioate links. DNase I footprinting demonstrated binding of ScoA3McrA to the Dcm methylation site, but no clear binding could be detected at the S-modified site under cleavage conditions. This is the first report of in vitro endonuclease activity of a McrA homologue and also the first demonstration of an enzyme that specifically cleaves S-modified DNA.

作者简介：
贺新义
1998年毕业于华中农业大学食品科技系获学士学位。 1998-2001在华中农业大学生命科学技术学院攻读硕士并获微生物学硕士学位。2004-2008在上海交通大学生命科学与技术学院攻读博士并获得微生物学博士学位。2003-2008在上海交通大学生命科学与技术学院微生物代谢教育部重点实验室任讲师。2010年1月起被评为副教授。期间，2007年7-10月以访问学者访问英国莱斯特大学医学院；2008年7-10月，依托英国皇家协会-中国国家自然科学基金委联合项目，以访问学者身份在莱斯特大学医学院执行此联合项目。

目前的研究兴趣为：链霉菌分子遗传学；核苷类抗生素药物的生物合成机理。

2005年，以第二作者身份获得教育部‘中国高等学校十大科技进展’， 2008年获得上海交通大学“晨星青年学者奖励计划”优秀青年教师后备人才一等奖；近5年来，先后主持国家自然基金委项目2项，科技部863课题子项目2项，以主要参与人身份参与1项英国皇家协会-中国国家自然科学基金委联合项目等等。已在PLoS Genetics、Nucleic Acids Res., Mol Microbiol, J Biol Chem., J. Bacteriol., Chembiochem，Appl Environ Microbiol.等期刊上合作发表学术论文20余篇。

代表性论著

13. Wang J, Yu Y, Tang K, Liu W, He X*, Huang X*, Deng Z. Appl Environ Microbiol. 2010 Apr;Identification and analysis of the biosynthetic gene cluster encoding the thiopeptide antibiotic cyclothiazomycin in Streptomyces hygroscopicus 10-22. 76(7):2335-44. Epub 2010 Feb 12.

12. Harrison EM, Carter ME, Luck S, Ou HY, He X, Deng Z, O'Callaghan C, Kadioglu A, Rajakumar K. Infect Immun. 2010 Apr;Pathogenicity islands PAPI-1 and PAPI-2 contribute individually and synergistically to the virulence of Pseudomonas aeruginosa strain PA14. 78(4):1437-46. Epub 2010 Feb 1.

11. Ou HY, He X, Shao Y, Tai C, Rajakumar K, Deng Z. PLoS One. 2009; dndDB: a database focused on phosphorothioation of the DNA backbone. 4(4):e5132. Epub 2009 Apr 9.

10. Chen W, Huang T, He X, Meng Q, You D, Bai L, Li J, Wu M, Li R, Xie Z, Zhou H, Zhou X, Tan H, Deng Z.J Biol Chem. 2009 Apr 17;Characterization of the polyoxin biosynthetic gene cluster from Streptomyces cacaoi and engineered production of polyoxin H. 284(16):10627-38. Epub 2009 Feb 20.

9. Sun Y, He X, Liang J, Zhou X, Deng Z. Appl Microbiol Biotechnol. 2009 Feb; Analysis of functions in plasmid pHZ1358 influencing its genetic and structural stability in Streptomyces lividans 1326. 82(2):303-10. Epub 2008 Dec 6.

8. Li L, Xu Z, Xu X, Wu J, Zhang Y, He X*, Zabriskie TM, Deng Z. Chembiochem. 2008 May 23; The mildiomycin biosynthesis: initial steps for sequential generation of 5-hydroxymethylcytidine 5'-monophosphate and 5-hydroxymethylcytosine in Streptoverticillium rimofaciens ZJU5119. 9(8):1286-94.

7. He X, Ou HY, Yu Q, Zhou X, Wu J, Liang J, Zhang W, Rajakumar K, Deng Z. Mol Microbiol. 2007 Aug; Analysis of a genomic island housing genes for DNA S-modification system in Streptomyces lividans 66 and its counterparts in other distantly related bacteria. 65(4):1034-48. Epub 2007 Jul 19.

6. Ou HY, He X, Harrison EM, Kulasekara BR, Thani AB, Kadioglu A, Lory S, Hinton JC, Barer MR, Deng Z, Rajakumar K. Nucleic Acids Res. 2007 Jul; Mobilome FINDER: web-based tools for in silico and experimental discovery of bacterial genomic islands. 35(Web Server issue):W97-W104. Epub 2007 May 30.

5. Liang J, Wang Z, He X, Li J, Zhou X, Deng Z. Nucleic Acids Res. 2007;DNA modification by sulfur: analysis of the sequence recognition specificity surrounding the modification sites. 35(9):2944-54. Epub 2007 Apr 16.

4. Wang L, Yu Y, He X, Zhou X, Deng Z, Chater KF, Tao M.J Bacteriol. 2007 Mar; Role of an FtsK-like protein in genetic stability in Streptomyces coelicolor A3(2). 189(6):2310-8. Epub 2007 Jan 5.

3. Zhou X, He X, Liang J, Li A, Xu T, Kieser T, Helmann JD, Deng Z. Mol Microbiol. 2005 Sep;A novel DNA modification by sulphur. 57(5):1428-38.

2. Zhu D, He X, Zhou X, Deng Z.J Bacteriol. 2005 May;Expression of the melC operon in several Streptomyces strains is positively regulated by AdpA, an AraC family transcriptional regulator involved in morphological development in Streptomyces coelicolor. 187(9):3180-7.

1. Zhou X†, He X†, Li A†, Lei F, Kieser T, Deng Z.Appl Environ Microbiol. 2004 Dec; Streptomyces coelicolor A3(2) lacks a genomic island present in the chromosome of Streptomyces lividans 66. 70(12):7110-8. (并列第一作者)