大部分异常球菌属（Deinococcus）的成员具有超强的DNA损伤修复能力，是研究基因组稳定性维持机制的重要模式生物。PprI-DdrO是我们之前鉴定的一种新型DNA损伤响应系统，其通过金属蛋白酶PprI作为胁迫响应的开关，特异性地切割转录阻遏因子DdrO来调控相关基因的表达，但是对于该系统激活的上游具体信号仍不清楚。
2024年2月29日，浙江大学上海高等研究院、生命科学学院周如鸿教授，浙江大学生命科学学院华跃进教授、赵烨教授共同在Nature Communications杂志发表了题为“The Deinococcus protease PprI senses DNA damage by directly interacting with single-stranded DNA”的研究成果。该论文鉴定了DNA损伤传感器，揭示了DNA损伤产物单链DNA（ssDNA）自身即能够作为一种直接的DNA损伤信号被DNA损伤传感器识别，对该系统进行激活，进而启动相关DNA损伤修复基因转录。
之前的研究表明pprI基因的转录水平在细胞受到DNA损伤前后并无明显差异，表明PprI蛋白并非通过表达量的增加而激活，极有可能存在一种未知的机制。本研究首先发现ssDNA能够直接与PprI蛋白结合并激活其切割活性。通过生化、细胞和结构生物学的研究方法，成功解析了PprI-ssDNA复合体的结构，其具有三个重要的ssDNA结合位点，为细胞内PprI-DdrO系统激活所必需（图a）。研究人员进一步通过计算生物学的方法获得了PprI-ssDNA-DdrO三元复合体的结构，推测ssDNA通过增强PprI与DdrO之间的相互作用激活下游基因的转录水平（图b）。此外，PprI蛋白的单体与二聚体之间的动态平衡同样参与了该系统的激活（图c）。总的来说，本研究发现作为DNA损伤传感器的PprI能够直接识别作为DNA损伤的信号分子ssDNA，在转录水平激活DNA损伤修复过程，帮助细胞适应环境胁迫。
(a) PprI-ssDNA复合体的整体结构。(b) 全原子分子动力学（MD）模拟验证的PprI-DdrO-ssDNA模型。(c) PprI蛋白的单体与二聚体之间的动态平衡。
本研究表明，单链DNA与PprI蛋白酶的物理相互作用增强了PprI-DdrO的相互作用及DdrO在体内外以长度依赖的方式裂解。PprI以载脂蛋白和与单链DNA的复合结构揭示了两个DNA结合界面塑造的裂解位点。此外，研究发现PprI的动态单体-二聚体平衡对其裂解活性也很重要。数据表明，在细菌的金属蛋白酶/阻遏物系统中，单链DNA可以作为DNA损伤感知的信号。这些结果也揭示了某些细菌在抗微生物压力下通过非SOS依赖的途径生存和获得性耐药。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-46208-9
部分内容来源：iMedicines
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周如鸿教授介绍：
周如鸿，AAAS Fellow, APS Fellow,浙江大学求是讲席教授，浙江大学上海高等研究院院长，浙江大学生命科学学院院长。长期从事计算生物学、生物物理、生物化学与人工智能+等交叉学科的研究，在蛋白质设计、纳米药物设计、肿瘤免疫机制等领域取得了一系列国际领先的原创性成果。授权30余项国际专利，在Nature，Science，Cell等国际权威学术刊物发表论文300余篇 (其中 1篇 Cell，2篇 Nature，2篇 Science，20篇 Nature子刊，17篇 PNAS， 14篇 JACS)，文章总引用超过27000余次，H因子84（Google Scholar）。近年来主要研究兴趣包括开发高性能计算与机器学习等新算法研究肿瘤免疫分子机制，高效抗肿瘤纳米药物，和生物大分子互作机理等。
