研究揭示Type I R-M系統的組裝、催化和調控機制

對病原DNA的免疫識別，是宿主細胞感知病原感染的重要手段，這種免疫響應廣泛存在於從低等原核生物到高等哺乳動物當中（圖1）。哺乳動物細胞利用多條天然免疫通路識別病原DNA並介導免疫應答；細菌則主要依賴"R-M系統"及"CRISPR-Cas系統"來去除入侵的噬菌體DNA。

限制修飾（Restriction-Modification；R-M）系統被稱為細菌的天然免疫系統，可對宿主自身DNA進行甲基化修飾，而對未經修飾的外源DNA進行切割。作為最早被鑑定、且最為精巧複雜的R-M系統，Type I R-M系統存在多種亞基組裝方式，並擁有DNA methyltransferase、DNA translocase和DNA endonuclease等酶活性。Type I R-M系統的鑑定，促成了其他類型R-M系統的發現並引發分子遺傳學革命，圍繞限制性酶的研究和應用也獲得了1978年的諾貝爾生理醫學獎。然而，雖經歷了半個多世紀的廣泛研究，人們對於Type I R-M 系統如何組裝、如何實現多酶活轉換以及如何受到噬菌體蛋白的調控，卻仍知之甚少。另外，由於該系統自身存在複雜且頻繁的構象變化，獲得其多種狀態的高分辨率結構信息，一直是領域內極具挑戰的問題。

6月1日，Nature Microbiology 雜誌在線發表了中國科學院生物物理研究所高璞組與章新政組合作的研究論文"Structural insights into assembly, operation, and inhibition of a Type I restriction-modification system"。該工作以經典的Type I R-M系統EcoR124I為對象，成功製備了不同組裝方式的EcoR124I系統（R2M2S1/R1M2S1/M2S1）與靶標DNA以及兩種噬菌體編碼蛋白（Ocr和ArdA）的多種複合物樣品，解析了該系統10種不同生理構象的冷凍電鏡結構，並配合大量的生化實驗揭示了該系統的組裝、催化和調控機制（圖2）。

簡單來説，這項工作有以下亮點：（1）首次明確了Type I R-M系統是通過形成不同的構象狀態來精確控制不同的酶活性，而這些構象狀態之前是完全未知的；（2）揭示了Type I R-M系統在不同構象狀態下的組裝方式，本工作中發現的多數分子間互作界面都是首次被報道；（3）闡明瞭噬菌體蛋白Ocr和ArdA均採取DNA mimic的方式抑制Type I R-M系統的活性，但這兩種抑制蛋白並不影響該系統的構象變化；（4）本工作並不侷限於解決了一個困擾數十年的結構生物學難題，更重要的是揭示了很多之前未報道的作用機制。

綜上，此項研究系統性揭示了Type I R-M系統的組裝、催化和調控的分子機制，有助於深入理解該系統在抵禦噬菌體侵染及細菌其他生理功能中的作用，併為設計基於Type I R-M系統的生物學工具及噬菌體療法提供了依據和思路。

高璞和章新政為共同通訊作者。高璞組助理研究員高藝娜和章新政組副研究員曹端方為共同第一作者。副研究員閆小雪參與了本工作的討論和設計。冷凍電鏡數據收集和樣品分析等工作得到生物物理所成像中心平台的大力支持和幫助。此研究得到科技部、國家自然科學基金委和中科院的經費支持。

圖1：宿主細胞對病原DNA的免疫識別和應答

圖2：Type I R-M全酶複合物的工作模型圖