Crystal structures of monomeric BsmI restriction endonuclease reveal coordinated sequential cleavage of two DNA strands

劈理(地质) DNA 限制性酶 单体 核酸内切酶 化学 结晶学 生物 生物化学 聚合物 断裂(地质) 古生物学 有机化学
作者
Rémi Sieskind,Sophia Missoury,Clément Madru,Isciane Commenge,Germain Niogret,Marcel Hollenstein,Yannick Rondelez,Ludovic Sauguet,Ahmed Haouz,Pierre Legrand,Marc Delarue
出处
期刊:Communications biology [Nature Portfolio]
卷期号:8 (1)
标识
DOI:10.1038/s42003-025-07612-z
摘要

BsmI, a thermophilic Type IIS restriction endonuclease from Bacillus stearothermophilus, presents a unique structural composition, housing two distinct active sites within a single monomer. Recognition of the non-symmetrical 5'-GAATGC-3' sequence enables precise cleavage of the top and bottom DNA strands. Synthetic biology interventions have led to the transformation of BsmI into Nb.BsmI, a nicking endonuclease. Here we introduce Nt*.BsmI, tailored for top-strand cleavage, which is inactive on standard double-stranded DNA, but active on bottom-strand nicked DNA, suggesting a sequential cleavage mechanism. Crystallographic structures of pre- and post-reactive complexes with cognate DNA show one major conformational change, a retractable loop possibly governing sequential active site accessibility. The x-ray structures reveal the position of the divalent metal ions in the active sites and the DNA:protein interactions, while the models predicted by Alphafold3 are incorrect. This comprehensive structural and functional study lays a foundation for rational enzyme redesign and potential applications in biotechnology. Functional and structural studies of restriction endonuclease BsmI provide a rationale for its substrate specificity and uncover its peculiar enzymatic mechanism in two sequential steps, opening possible applications through rational engineering
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