细菌基因组水平上DNA磷硫酰化修饰与甲基化修饰的比较分析及功能启示

Phosphorothioate(PT) modification of DNA, with sulfur replacing a nonbridging phosphate oxygen produced by dnd gene cluster， which is widespread in bacteria, was recently discovered. And PT modifications get site-specificity among different bacteria. However, the biological significance of PT modification is unknown. DNA methylation which happens on the bases of DNA is important to the bacteria. And we found the modification sites of PT modification and methylation get some correlation, which makes us interested to investigate the potential interaction between methylation happened on the bases and PT modification happened on the backbone of the DNA. In this study, we will analyze and compare the methylation and PT modification on the genomic level. Knowning the precise PT modification sites, as well as the impact on the gene expression on the genome of bacteria, will lead us to understand the biological significance of PT modification.

近年来，研究者发现了DNA骨架上的第一修饰- - DNA的磷硫酰化修饰，由dnd基因簇将硫原子取代磷酸二酯键上非桥连氧原子后形成的。同源性分析显示基因簇广泛存在于多种菌属之中。并且，磷硫酰化修饰位点在菌属之间存在特异性，但是这种DNA骨架上的修饰的生物学意义却一直是一个未解之谜。DNA上发现的甲基化修饰对细菌的生命活动有着重要意义。有趣的是，磷硫酰化硫修饰位点与甲基化修饰位点存在一定的交集，那么发生在DNA骨架上的磷硫酰化修饰与这种发生在DNA碱基上的修饰是否存在相互影响与相互作用呢？本项目拟以特定DNA序列为突破口，通过多种学科手段在基因组水平上比较分析磷硫酰化修饰与甲基化修饰，得到细菌全基因组磷硫酰化修饰与甲基化修饰比较的谱图，进而挖掘和理解DNA磷硫酰化这种新的修饰系统更多、更重要的生物学意义。

在微生物与病毒漫长的竞争中，微生物进化出了众多的防御机制，从早期DNA甲基化系统——由甲基转移酶介导的，将甲基基团从S-腺苷甲硫氨酸（SAM）上转移至腺嘌呤或者胞嘧啶上——的发现，到近年来，一种新型DNA磷硫酰化修饰（PT）系统——由DndABCDE介导的将硫元素从半胱氨酸上转移到DNA骨架上——的揭示，对这些限制修饰系统的研究都大大加强了人们对微生物世界的理解。其中，甲基化限制修饰系统通常由一个甲基转移酶和一个限制性核酸内切酶组成，而DNA磷硫酰化修饰系统则更为复杂，其修饰基因由dndABCDE这5个基因组成，而限制作用则由DndFGH这3个蛋白发挥作用。本项目通过对这两种看似毫不相关的限制修饰系统进行研究，揭示出这两种限制修饰系统之间存在着相互影响，具体表现为，其甲基转移酶可以与DndABCDE一起作用于同一位点产生杂合修饰结构，并且甲基化的DNA能够抵抗来自PT限制系统的限制作用，而PT修饰的DNA也对甲基化敏感的限制性内切酶存在一定的抑制作用，以上这些，都为我们更深入地理解细菌的限制修饰系统打下了良好的基础。