我校汪岷教授团队合作揭示海洋病毒碱基修饰新机制
近日，中国海洋大学海洋生命学院汪岷教授团队与国内外团队合作，在综合性期刊Nature Communications在线发表了题为“Carboxymethylcytosine is a natural base modification and a handle for bacteriophage DNA hypermodification DNA”（羧甲基胞嘧啶，驱动噬菌体 DNA 超修饰的天然碱基中间体）的最新研究成果，并被编辑遴选为亮点推荐论文。
碱基修饰是生命体中一种广泛存在的现象，在调控基因表达、维持基因组稳定以及宿主与病原体互作中发挥重要作用。相比真核生物和细菌DNA中已知的甲基化修饰，噬菌体DNA中还存在多种特殊修饰，以帮助其逃避宿主细菌的防御系统。然而，人们对噬菌体DNA修饰的类型及其生物合成机制仍知之甚少。
此项研究始于一个有趣的发现：研究人员注意到在大肠杆菌中，一种由CmoA和CmoB两种酶协同完成的tRNA修饰过程。CmoA负责合成一种特殊的修饰分子——羧基-S-腺苷甲硫氨酸（Cx-SAM），再由CmoB利用这个分子对tRNA进行羧甲基化修饰。尽管噬菌体的DNA修饰系统通常独立于RNA修饰，但之前研究表明二者在进化上可能存在联系。因此，研究团队推测噬菌体或许“借用”了类似RNA修饰的机制来修饰自身DNA。
基于这一科学假设，研究团队以大肠杆菌的cmoA基因为线索，对噬菌体基因组进行系统性搜索。结果发现，部分噬菌体虽然含有cmoA，却缺少对应的细菌同源基因cmoB。相反，这些噬菌体中的cmoA与一种DNA胞嘧啶甲基转移酶（后经本研究证实为DNA胞嘧啶C5羧甲基转移酶CmoX）以及一种ATP依赖的酰胺连接酶（CmoY）形成保守基因簇，暗示可能存在一条全新的噬菌体DNA修饰途径。
为进一步解析 cmoA–cmoX–cmoY 基因簇介导的 DNA 修饰机制，研究人员以海洋噬菌体 Synechococcus phage S-B43 作为研究对象开展后续研究。研究发现，噬菌体编码的CmoX酶可以利用CmoA产生的Cx-SAM（该分子此前仅在 tRNA 修饰中被报道），在DNA上引入一个关键中间体——5-羧甲基胞嘧啶（5cxmC），从而揭示了一条从RNA修饰“跨界”到DNA修饰的新通路。
通过晶体结构分析，研究进一步阐明了 CmoX 对这一非常规修饰供体分子的特异识别机制。在此基础上，研究人员对基因簇中的酰胺连接酶CmoY进行了功能鉴定，发现该酶以5cxmC为底物，在其羧基上进一步添加甘氨酸，形成超修饰产物5gcxmC，完成DNA的进一步超修饰（图1）。
图1. 噬菌体 DNA 中 5-羧甲基胞嘧啶及其甘氨酰化超修饰通路示意图
生物信息学分析表明，cmoA–cmoX–cmoY这一基因模块在多种噬菌体中广泛存在，说明这种“两步走”的DNA超修饰策略可能在噬菌体中被广泛使用（图2）。
图2. 噬菌体中两步胞嘧啶修饰通路的生物信息学分析
该研究不仅拓宽了人们对噬菌体DNA化学多样性的认知，也揭示了一种进化上的“分子改编”现象——即RNA修饰系统可被噬菌体重编程用于DNA修饰。研究还表明，以非经典修饰分子为线索，结合基因组邻域信息进行分析，是发现新型DNA修饰途径的有效策略。这些发现为理解噬菌体与宿主间的“分子攻防”提供了新视角，也为开发新型DNA修饰工具及合成生物学应用奠定了理论基础。
上海交通大学张雁教授和张良教授、上海科技大学赵素文研究员、中国海洋大学汪岷教授、新加坡科技研究局Yifeng Wei研究员为该论文的共同通讯作者。天津大学博士生杨巧玉、上海交通大学张琳副教授和中国海洋大学梁彦韬教授为共同第一作者。
该研究得到了国家自然科学基金、新基石研究员项目等项目的联合支持。
文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-66999-9
