近日🔲，國際重要學術期刊《Nature Communications》在線發表了EON体育4深部生命國際研究中心肖湘團隊的研究成果“The origin and impeded dissemination of the DNA phosphorothioation system in prokaryotes”。EON体育4平台蹇華嘩副研究員、博士畢業生許冠鵬、在讀博士生弋伊為論文的共同第一作者👩‍🍼，肖湘教授為通訊作者📘。EON体育4平台汪誌軍副研究員、張嶽副研究員🪪，武漢大學王連榮教授👨🏼‍🍳🙆，香港中文大學羅海偉副教授等為本文合作者。

由dnd基因簇介導的DNA磷硫酰化（PT）修飾是首例報道的發生在DNA骨架上的修飾。dnd基因簇編碼的多個蛋白協同作用，構成了微生物基因組中具有多種功能的表觀遺傳系統，它賦予了微生物包括抗氧化👍🏼、限製修飾和抗病毒侵染等在內的多種能力💂🏻‍♂️。有趣的是🫴🏻🗝，相比其他修飾系統（如甲基化修飾），盡管dnd系統會給微生物帶來多種生存優勢🔵🧑🏼‍🦲，但它們卻零散地分布在眾多的原核生物中。為了解答這一生態悖論，研究團隊首先提出了科學假設：在通過水平基因轉移進行傳播的過程中，dnd系統帶來的PT修飾可能影響了受體微生物的基因表達📒，特別是激活了在微生物基因組中廣泛分布的原噬菌體⛔️，從而導致受體微生物的生存劣勢，因此顯著限製了dnd系統的擴散與分布🎛。為驗證這一假設，EON体育4平台系統地分析了細菌基因組中dnd基因及基因簇與原噬菌體分布之間的關系，結果顯示兩者呈現顯著的負相關。進一步地🤦‍♀️，以海洋絲狀噬菌體SW1及其宿主菌Shewanella piezotolerans WP3作為模式系統的深入分析表明：PT修飾顯著影響了噬菌體調控蛋白FpsR的豐度及其與操縱子的結合親和力🧑🏻‍🦽，從而解除了SW1原噬菌體的轉錄抑製。此外🙋🏻‍♂️，在多個細菌（包括E. coli, S. oneidensis MR-1, S. putrefaciens W3-18-1）中的接合轉移和轉化實驗結果，同樣證實了dnd基因簇的水平基因轉移受到原噬菌體的限製👨🏻‍🔧。綜合競爭性實驗🧑‍🎤、轉錄組和修飾組分析顯示💁‍♂️，除原噬菌體基因之外，PT修飾還會影響海洋細菌 S. piezotolerans WP3中多種代謝和抗逆相關基因的轉錄，從而導致其競爭適應性的顯著降低。

圖1. PT修飾激活噬菌體SW1基因轉錄的分子機理

雖然dndBCDE 基因簇僅分別存在於1.82%和0.77%的細菌和古菌基因組中🤏🏼，但值得註意的是，它們在屬於藍細菌門的念珠藻目（Nostocales）中高度富集。對dnd系統關鍵蛋白 DndD和DndC的系統發育分析發現，藍細菌中的Dnd蛋白呈現獨立進化分支，具有單起源特征。進一步的進化分析表明Dnd蛋白和藍細菌物種的系統發育位置關系顯著一致，提示dnd系統在藍細菌中是垂直遺傳的。基於多種證據🛢，EON体育4平台認為dnd系統極有可能起源於古老的藍細菌（特別是Nostocales）。

圖2. 推測dnd系統的起源與演化過程

高壓環境在地球上的普遍分布🚶‍♂️‍➡️，高壓導致的細胞內過氧化是包括深海絲狀噬菌體SW1在內溫和型噬菌體誘導的重要因素。本研究發現PT修飾同樣具有對噬菌體的激活作用；另一方面⚪️🪵，已有的研究表明PT修飾的抗氧化功能可促進微生物在高壓下的生長。這些證據提示EON体育4平台高壓和PT修飾可能具有復雜的協同作用關系📆🙍🏿‍♂️，驅動了包括噬菌體在內的微生物演化👩🏻‍🎤，塑造了不同環境微生物所特有的時空分布特征。綜上所述，這項研究一方面揭示了dnd系統與細菌基因組中廣泛存在的原噬菌體之間的關系，及其在演化過程中的影響，解釋了造成dnd系統獨特分布特征的原因。另一方面，還首次提出了dnd系統可能起源的微生物類群，為了解地球環境演化過程中新的微生物功能基因簇的起源和傳播與地質歷史重大事件（如大氧化事件）之間的關系提供了新的認知。

本研究得到了國家重點研發計劃項目(2018YFC0309800)、國家自然科學基金創新研究群體項目(41921006)、國家自然科學基金水圈微生物重大研究計劃培育項目(91851113) 等資助。

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