ウイルスがDNAを正確に編集する仕組みを解明（UChicago scientists reveal how viruses edit DNA cleanly—and how we might do the same）

大型セリンインテグラーゼ（LSI）は、バクテリオファージのDNAを細菌染色体へ挿入し、組換え方向性因子（RDF）の存在下では切り出す酵素であるが、その反応方向を切り替える構造的な仕組みは十分に解明されていなかった。本研究では、枯草菌ファージSPβのインテグラーゼとDNAの複合体について、RDFの有無や反応段階を変えた8種類の構造をクライオ電子顕微鏡で解析し、最大3.15 Åの分解能で反応過程を捉えた。その結果、DNA組換えに伴う構造変化と、RDFによるインテグラーゼのコイルドコイル領域の位置変更が、DNA同士の適切な結合と反応複合体の形成を制御することが判明した。さらに、DNA挿入と切り出しでは異なる構造の反応複合体が形成され、生成物におけるタンパク質間相互作用が逆反応を抑制することを示した。これらの知見は、DNAの挿入・除去を高精度に制御する分子機構の理解を進めるとともに、ゲノム編集や遺伝子スイッチに利用できる酵素の設計・改良に新たな指針を与える。

Large serine integrases (LSIs) insert bacteriophage DNA into bacterial chromosomes and, in the presence of a recombination directionality factor (RDF), catalyze its excision. However, the structural mechanisms governing the direction of these reactions have remained unclear. In this study, the researchers used cryo-electron microscopy to determine eight structures of SPβ phage integrase–DNA complexes under different reaction conditions, including the presence and absence of RDF, at resolutions extending to 3.15 Å. They found that recombination-induced conformational changes and RDF-mediated repositioning of the integrase coiled-coil subdomain control the assembly of appropriate DNA pairs into active reaction complexes. The study further revealed that integration and excision proceed through fundamentally different synaptic complex architectures. Protein interactions within the resulting product complexes stabilize their conformations and prevent reverse reactions. These findings provide a detailed structural explanation of how LSIs achieve directional DNA recombination and how RDF switches the reaction pathway. The work offers a framework for engineering more efficient and controllable molecular tools for genome editing and programmable genetic switches.