学科前沿 | 华中科大朱斌课题组合作发现通过DNA合成引发RNA切割的多功能抗 ...

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! K6 N! V% w8 e5 F+ b华中科大朱斌课题组合作发现通过DNA合成引发RNA切割的多功能抗病毒核酸酶 PPS
2026年5月22日,《科学》(SCIence)杂志以“First Release”形式加速发表华中科技大学生命学院朱斌教授团队与武汉大学药学院王隆飞教授团队的合作研究成果“DNA Polymerization Activates RNA Cleavage of an RT-like Antiviral Enzyme”。
- g: ~' e# O9 g4 r0 B5 ]$ U* T论文链接：
DOI:https://doi.org/10.1126/science.aef3178
6 s6 V2 X+ ^4 i3 L细菌与病毒间的攻防战构成了生物界最广泛、最持久的对抗体系之一，是维持生态平衡和驱动生物进化的重要力量。细菌和噬菌体之间的“军备竞赛”使得原核生物演化出了多种多样精巧的免疫系统来抵抗噬菌体的侵染。比如限制修饰系统和CRISPR/Cas系统的发现分别引领了生物学界基因工程和基因编辑的技术革命。防御相关逆转录酶（Defense-associated Reverse Transcriptase，DRT）系统，其机制与生命中心法则高度相关、应用潜力巨大，因此成为近年来备受关注的新型原核生物免疫系统。
近年来已报道的DRT2、DRT3、DRT9等系统呈现出多样且非常规的DNA合成能力，其中一些甚至被认为突破了传统“中心法则”的认知。但它们发挥抗病毒作用的基础，仍然离不开逆转录酶最核心的功能——DNA 合成。研究团队基于长期的聚合酶与核酸酶领域研究基础，对DRT4 系统开展了深入的生物化学与酶学分析。令人意想不到的是，研究人员发现了 DRT 家族具有两种与核酸合成方向完全相反的核酸切割功能：DNA 外切和 RNA 内切，并首次揭示了RNA 切割是 DRT 系统发挥抗病毒作用的关键效应机制。
DRT4系统内含逆转录酶结构域，仅由单个小型蛋白质构成，却可以高效抵御T7、T5等烈性噬菌体对大肠杆菌的侵染。团队发现：DRT4首先具有聚合酶功能，氨基酸侧链会引导不依赖模板的DNA从头合成，偏好合成共价连接于蛋白质上的单链DNA。DNA富含dG或dA，当DNA以dG为主时长度限制在数十个核苷酸内，以dA为主时则可以合成很长的长度；其次，DRT4具有DNA外切酶功能，当dNTP浓度低时，DNA合成速度慢，外切活性会将酶自身合成的DNA降解，防止防御系统的意外激活，点突变显示DNA外切酶活性位点与DNA聚合活性位点接近；最让人意外的是RNA内切酶活性，在dGTP的存在下，DRT4会前所未见的在单链RNA的G位点两侧同时切割，将RNA切断并释放出3’-dGMP。RNA切割活性依赖于dGTP的存在和DNA的合成，富含dG的单链DNA本身即可激活DRT4的RNA切割，而富含dA的单链DNA需要结合噬菌体的单链DNA结合蛋白才能激活RNA切割。
: a" `# U" B& U. V2 V一系列结构生物学研究清晰展示了DRT4的DNA合成如何激活RNA的切割机制：当DNA合成到一定长度时会脱离DRT4的DNA合成口袋。分别来看，如果单链DNA富含dG，其本身的刚性结构会将DNA的3’末端拉出DNA聚合活性口袋；本身柔性的富含dA的DNA不会将3’末端拉出，只有当噬菌体单链DNA结合蛋白与其结合后，赋予DNA结构刚性，可将DNA的3’末端拉出聚合活性口袋。当DNA聚合活性口袋空置时，结合其中的dGTP发生翻转，稳定这一构象变化同时可能阻止DNA的3’末端重新回到DNA聚合活性口袋。当 DNA 的 3’ 末端离开 DNA 聚合活性中心后，通过一系列可观测到的局部构象变化，DRT4 六聚体内部两个三聚体模块发生相对旋转。这个结构重排最终在两个三聚体的交界处形成了一个全新的 RNA 内切酶活性位点，而这一位点与目前已知的 RNA 酶都不存在明显同源性。
生化和结构研究进一步揭示了 DRT4 的抗病毒机制：正常情况下，DRT4 的 DNA 聚合与外切活性保持动态平衡，使其共价连接的短单链 DNA 长度始终被限制在聚合活性口袋内部。当烈性噬菌体入侵后，细胞内作为病毒基因组复制原料的 dNTP 浓度会迅速升高，导致 DRT4 的 DNA 聚合活性超过外切酶活性，原有平衡被打破，DNA 链得以继续延长并掺入 dG 或 dA。如前所述，DNA会进一步脱离DNA聚合口袋。当DNA 末端离开聚合活性中心后，再加上 dGTP 的翻转结合，会触发 DRT4 整体构象发生变化，形成新的 RNA 内切酶活性位点，切割宿主和噬菌体 RNA，导致细胞代谢停滞，从而阻断病毒复制。对 DRT4 进入防御状态后的细胞内 RNA 进行分析和高通量测序，结果显示，噬菌体 mRNA、宿主 mRNA 以及 tRNA 的单链区域中，G 位点会被特异性切割，这进一步验证了上述防御模型。
" f) V4 Q7 v& K1 |- _5 K. D7 V2 S这一发现大幅拓展了DRT的功能版图，提示其它DRT家族成员可能同样通过未被发现的DNA合成以外的新功能实现免疫效应。该发现同时暗示了逆转录酶在核酸代谢功能演化中的核心地位，其可以向核酸合成和切割两个相反方向演化。特异性的DNA从头合成与长度监控、特异性的RNA加工性能、以及二者的精密联系赋予DRT4及其同源酶在DNA合成、DNA存储、RNA加工、基因编辑及分子感知等技术中的应用潜力。
/ c! j  Q& r1 C" a7 @7 a2 t华科大博士研究生荣雪君、武大肖军博士、华科大博士研究生赵新元、华科大闫艳博士与武大李静博士为论文共同第一作者，华中科技大学为论文第一单位，华科大博士研究生王雄略、武大王隆飞教授与华科大朱斌教授为共同通讯作者。该研究受到国家自然科学基金原创探索项目、国家重点研发计划项目、生物医学峰基金、比邻风险投资、武汉大学泰康生命医学中心和武汉大学大型仪器设备开放补贴等经费支持。
朱斌课题组专注于“核酸酶的博物学”研究，利用分子水平的生物多样性及课题组长期坚持的生物化学与酶学方法发现前所未见的核酸酶功能，探索新奇核酸酶涉及的生物学新机制并开发其应用。近年来发现多种新型核酸酶，基于此揭示了Gabija、E2-CBASS、DRT4等新型原核生物免疫系统机制，论文发表于《Science》、《Nature》、《Nature Microbiology》、《Cell Host & Microbe》等期刊，原创成果已由美国Ribotech、苏州近岸蛋白等转化为Ice LakeTM RNA polymerase、Clean T7TM RNA polymerase、T7 RNA polymerase 2.0等商业化RNA合成工具酶。
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文章审核：王子怡 童文静 罗琪
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