研究背景

基因平行转移（Horizontal Gene Transfer, HGT）是指个体之间遗传物质的非亲代传递，这对于微生物适应多变环境至关重要。然而，这种过程也可能带来风险，比如质粒的入侵可能会破坏宿主细菌基因组的稳定性和完整性。为了应对这些风险，细菌演化出了多种质粒防御系统，其中包括最新的DdmDE系统。

 

DdmDE系统的发现

2022年，瑞士洛桑联邦理工学院的Blokesch课题组在霍乱弧菌中发现了DdmDE系统。该系统由DdmD和DdmE两个蛋白质组成，能够有效抵御长度较短、多拷贝的质粒（<10kb）的入侵。

 

DdmD：包含SF2解旋酶结构域和PD-(D/E)XK核酸内切酶结构域的蛋白质。

DdmE：一种类Argonaute蛋白，含有MID结构域和PIWI-like结构域。

最新研究进展

2024年8月21日，美国俄亥俄州立大学医学院的傅天民研究团队在《Cell》杂志上发表了一篇题为"DdmDE eliminates plasmid invasion by DNA-guided DNA targeting"的研究论文，揭示了DdmDE系统清除质粒的分子机制。

 

研究成果概要

DdmD的结构与活性：研究团队解析了DdmD的高分辨率结构，发现DdmD形成同源二聚体，二聚体结构阻碍了核酸底物的释放，使得DdmD的解旋酶活性处于自抑制状态。

DdmDE复合物结构：研究团队还解析了DdmD、DdmE和核酸底物的复合物结构。DdmE含有所有Argonaute蛋白的典型结构域，包括N、L1、PAZ、L2、MID和PIWI结构域，以及一个额外的DID结构域，增强了与DdmD的相互作用。

guide DNA的识别：DdmE偏好结合5'磷酸化修饰的、长度小于14个核苷酸的guide DNA，但本身不具有核酸酶催化活性。

质粒清除机制：在guide DNA的引导下，DdmE结合到质粒上，形成DNA D-loop结构，随后招募DdmD二聚体。DdmD二聚体在质粒DNA上移动并发挥切割活性，最终清除质粒。

结论

本研究提供了对DdmDE系统作为一种DNA引导的DNA靶向抗质粒防御系统的深入理解。这些发现不仅扩展了我们对细菌防御机制的认知，也为开发新的合成生物学工具提供了基础。随着对DdmDE系统更深入的理解，它有望在未来成为基因编辑和微生物工程领域的重要资源。