10月14日，我校与美国麻省理工学院合作, 成功解析DNA硫修饰精细化学结构为“R-构象的磷硫酰” 的研究成果以 “细菌DNA分子上由dnd基因导致的磷硫酰化”为题发表在《Nature》系列之《自然·化学生物学》网络版上, 10月19日即正式发表在2007年11月期上。编辑部在本期杂志封面以“硫元素与细菌DNA相遇相知” 为题给予了重点标注和导读,杂志网站首页在“最新关注”栏以“硫掺入一个多元复合体”为题画龙点睛地给予了梗概报告,称：“尽管细胞DNA和RNA的结构修饰常见,但对DNA骨架的改变前所末闻, 最新的这项研究展示出有些细菌的DNA上竟发生了磷硫酰化,而且证明是由一个叫dnd的基因簇来完成的”。编辑部在“新闻与观点”专栏配发了特邀德国马普实验医学研究院从事核酸催化、修饰和合成的著名科学家弗里茨·爱克斯坦(Fritz Eckstein)撰写的特写文章(附1)。10月17日, 美国化学会也在“化学与工程新闻”周刊上发表了专评文章(附2), 点评了这项发现的部分精髓, 并配发了题为“硫元素的意外”的化学结构详图。此外，近期的多个重大国内外学术会议也特邀此项成果为大会开幕报告或特邀报告。

　　附1：《自然. 化学生物学》杂志社与论文一起配发的 “新闻与观点” 全文：

细菌DNA的磷硫酰化

弗里茨 爱克斯坦

(德国马普实验医学研究院)

　　在细菌中发现了DNA的硫修饰以磷硫酰化形式存在。这种DNA磷酸骨架结构发生改变的首次发现引发出围绕硫元素掺入的机理和这种修饰的功能等一系列值得深思的科学问题。

　　大自然的意外无处不在。我们早就知道，DNA和RNA是由众所周知的碱基、2‘-脱氧核糖或核糖、由磷酸桥接而成。不错，天然存在的碱基修饰在tRNA中多达80多种，但发生在DNA上的甲基化修饰(如5-甲基胞嘧啶和5-羟甲基胞嘧啶) 则少得很，在糖上的修饰也只有一种(2’-O-甲基核糖)。诚然，照己经揭示的这些结构变化来推理，我们有理由相信大自然一定认定了对DNA或RNA的磷酸骨架进行任何形式的结构改变都毫无必要。正因为如此，王连荣等人发现细菌DNA骨架中还是发生了磷硫酰化修饰的结果简直令人瞠目结舌。

　　这一发现源于从变铅青链霉菌和相关细菌中提取的DNA在Tris(常用的生物学缓冲液)电泳时遭到降解的现象。随后的实验证明，硫元素是在dnd基因簇编码的五种酶的作用下(其中一种是脱硫酶)掺入到DNA中去的。因为硫醇化碱基在核酸中曾被发现过，所以一开始也觉得这个dnd基因簇作用的产物可能是一种硫化修饰的杂环。可是，王连荣等人的研究证实，细菌DNA的核酸酶降解产物中还残留下一些不能被核酸酶降解的成份, 经高压液相色谱和质谱分析鉴定为磷硫酰二核苷d(GPSA), 与人工合成的磷硫酰二核苷d(GPSA)的结构一模一样, 而在另一个细菌中，相对应的磷硫酰二核苷产物是d(GPSG)。这种结构的多角度反复确认最终使这项研究以首次发现细菌DNA磷酸骨架中的磷硫酰化修饰而公著于世。

　　这项分析远远超出了只对化学结构的鉴定。因为一个非桥接氧换上了硫，磷四周携带的四个取代基会完全不同, 必然存在手性问题, 即两种非对映异构体(SP或RP )必具其一。作者对这项特性也进行了关注，证明d(GPSA)和d(GPSG)都是RP构型，确认了DNA上的磷硫酰化修饰只有一种立体选择性。

　　这一发现引发了一系列值得深究的问题。大自然为什么要选择、并如此选择了这一特定的修饰方式？ 寡核苷酸或DNA中的磷硫酰化都可以在实验室中通过化学合成及酶促聚合反应来完成。碰巧，通过聚合酶聚合直接掺入的磷硫酰化DNA也会与这里新发现的RP构型的DNA相一致。然而，目前的这种修饰，在只观察到它的DNA不稳定性并证明发生了磷硫酰化之前，就被认为是复制后进行的修饰。看来, 用DNA聚合酶, 加上5‘-硫化三磷酸核苷酸做底物的酶促合成过程无法在体内奏效, 再说，在体内也未检测到过虚拟底物5’-硫化三磷酸核苷酸的生物合成呀!

　　是通过什么机制使复制后的DNA上的磷酸发生磷硫酰化的呢？将磷硫酰变成磷酸的反向化学反应倒是个轻而易举的事, 而将硫掺入到磷酸中则注定是个吃力的需能过程。这里首要的就是要活化磷酸二酯键，例如先通过对其中一个氧的甲基化、酰化或者腺苷化来实现，然后再经过亲核攻击将这个活化后的基团替换成硫。直到现在还不知道完成这种转化的酶，兴许是前期工作的主要需求还不是急于寻找这些酶。

　　这篇文章没有涉及的另一个有趣的问题是DNA如何选择硫化修饰的位点。换句话说，也就是细菌DNA上是所有的d(GPA)或d(GPG)或只是特定的二核苷中间因磷硫酰化而被标记。当然，在磷硫酰化结构得知之前，DNA切割位点的序列有一段保守的核心序列(比如GGCC)，暗示硫化发生在d(GPG)间，但与修饰位点相邻的两侧序列是复杂的, 况且硫化还受制于DNA的拓扑结构。有种简便的方法可以准确确定结构改变的位置，那就是使用碘乙醇来切割磷硫酰化的DNA，该方法曾用于对磷硫酰DNA的测序。用这种专一性的切割反应，应该可以从DNA的非特异断裂中清晰鉴定出磷硫酰化DNA的保守序列。

　　另一个悬而未决的问题是，这种磷硫酰化修饰究竟有啥功能, 能给迄今己知的这么多的细菌带来哪些个好处？王连荣等人提及，修饰可能为DNA提供了抗核酸酶的保护, 因为己知磷硫酰化修饰后的DNA，尤其是修饰后的寡核苷酸正好具有这种特性。这种修饰后的DNA也可能改变与转录机器的相互作用进而影响基因的表达水平。

　　毫无疑问，这一发现打开了一扇全新的窗口，将大大激发人们对DNA大分子上众多新谜底的激情探索，而在此之前人们对这些谜面从不曾想过。

　　[参考文献10篇(略)]

　　附2：美国化学会在“化学与工程新闻”周刊上特写文章全文：(http://pubs.acs.org/cen/news/85/i43/8543notw6.html)

DNA骨架中换进了硫元素

————常用的人造DNA修饰也存在于大自然中

　　有一种人造的DNA修饰物, 原本只是生物化学家和基因治疗专家们工具箱中的常见药, 现在发现细菌也可以天然合成 (见Nature Chem. Biol., DOI: 10.1038/nchembio.2007.39)。这种有别于天然DNA的修饰称为磷硫酰化, 它由一个硫原子替换了支撑碱基配对的磷酸基团上其中一个非桥接的氧原子。这是迄今在DNA骨架上发现的第一种生理修饰。

　　中国上海交通大学的微生物学家邓子新及博士研究生王连荣，麻省理工学院的生物化学家彼得.帝丹及博士后陈实揭开了这种修饰的神秘面纱。研究者们利用高压液相色谱和质谱技术确定了这种硫磷酰的化学结构。尽管不是第一次在核酸上发现天然硫元素，但以前的发现都是在RNA上, 硫修饰也都位于RNA的碱基杂环上，这与发生于DNA的骨架上是截然不同的，帝丹说。

　　科技工作者们在实验室中合成带有磷硫酰健的DNA已有数十年了。因为这个功能团能赋予DNA对核酸酶的稳定性，使这类能切割DNA磷酸骨架的核酸酶钝化或失效, 因而这种修饰了的DNA在生物化学研究和临床上一直沿用至今。“这项成果阐明了一个道理, 即人能干的事，大自然可能早就干过了。”美国斯克里普斯研究院（Scripps Research Institute）的分子生物学和生物化学教授希梅尔如是说。

　　这篇最新的研究报道源于邓研究团队持续十几年来的工作。他们证实将硫掺入到DNA中的过程是由五个酶协同完成的。在很多细菌中都发现了这套酶，但还没有人在高等生物中寻找或找到过，帝丹说。

　　目前还不清楚这种新发现的骨架区形成的目的是什么。即便如此，“我们对这项发现的意义十分激动” 帝丹又说。这个研究团队预言磷硫酰化的DNA可能象DNA碱基上发生了甲基化那样保护着DNA以抵抗某些核酸酶的攻击。磷硫酰化的DNA当然还可能控制着基因的表达。“DNA上还会有其它类别的修饰吗? 又会是怎样的修饰? 这项发现不禁让人浮想联翩”, 生产和销售核酸、核酸酶及许多生物大分子产品的New England Biolabs公司的首席科技官(注：1993年诺贝尔医学与生理学奖得主)里查德.罗伯特发表了这样的见解。