由dnd基因簇介导的DNA磷硫酰化（PT）修饰是首例报道的发生在DNA骨架上的修饰。dnd基因簇编码的多个蛋白协同作用，构成了微生物基因组中具有多种功能的表观遗传系统，它赋予了微生物包括抗氧化、限制修饰和抗病毒侵染等在内的多种能力。有趣的是，相比其他修饰系统（如甲基化修饰），尽管dnd系统会给微生物带来多种生存优势，但它们却零散地分布在众多的原核生物中。为了解答这一生态悖论，研究团队首先提出了科学假设：在通过水平基因转移进行传播的过程中，dnd系统带来的PT修饰可能影响了受体微生物的基因表达，特别是激活了在微生物基因组中广泛分布的原噬菌体，从而导致受体微生物的生存劣势，因此显著限制了dnd系统的扩散与分布。为验证这一假设，团队系统地分析了细菌基因组中dnd基因及基因簇与原噬菌体分布之间的关系，结果显示两者呈现显著的负相关。进一步地，以海洋丝状噬菌体SW1及其宿主菌Shewanella piezotoleransWP3作为模式系统的深入分析表明：PT修饰显著影响了噬菌体调控蛋白FpsR的丰度及其与操纵子的结合亲和力，从而解除了SW1原噬菌体的转录抑制。此外，在多个细菌（包括E.coli, S. oneidensisMR-1, S. putrefaciensW3-18-1）中的接合转移和转化实验结果，同样证实了dnd基因簇的水平基因转移受到原噬菌体的限制。综合竞争性实验、转录组和修饰组分析显示，除原噬菌体基因之外，PT修饰还会影响海洋细菌 S. piezotoleransWP3中多种代谢和抗逆相关基因的转录，从而导致其竞争适应性的显著降低。
图1. PT修饰激活噬菌体SW1基因转录的分子机理
虽然dndBCDE基因簇仅分别存在于1.82%和0.77%的细菌和古菌基因组中，但值得注意的是，它们在属于蓝细菌门的念珠藻目（Nostocales）中高度富集。对dnd系统关键蛋白DndD和DndC的系统发育分析发现，蓝细菌中的Dnd蛋白呈现独立进化分支，具有单起源特征。进一步的进化分析表明Dnd蛋白和蓝细菌物种的系统发育位置关系显著一致，提示dnd系统在蓝细菌中是垂直遗传的。基于多种证据，团队认为dnd系统极有可能起源于古老的蓝细菌（特别是Nostocales）。
图2. 推测dnd系统的起源与演化过程
高压环境在地球上的普遍分布，高压导致的细胞内过氧化是包括深海丝状噬菌体SW1在内温和型噬菌体诱导的重要因素。本研究发现PT修饰同样具有对噬菌体的激活作用；另一方面，已有的研究表明PT修饰的抗氧化功能可促进微生物在高压下的生长。这些证据提示高压和PT修饰可能具有复杂的协同作用关系，驱动了包括噬菌体在内的微生物演化，塑造了不同环境微生物所特有的时空分布特征。综上所述，这项研究一方面揭示了dnd系统与细菌基因组中广泛存在的原噬菌体之间的关系，及其在演化过程中的影响，解释了造成dnd系统独特分布特征的原因。另一方面，还首次提出了dnd系统可能起源的微生物类群，为了解地球环境演化过程中新的微生物功能基因簇的起源和传播与地质历史重大事件（如大氧化事件）之间的关系提供了新的认知。
本研究得到了国家重点研发计划项目（2018YFC0309800）、国家自然科学基金创新研究群体项目(41921006)、国家自然科学基金水圈微生物重大研究计划培育项目（91851113） 等资助。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-26636-7
