Nat Chem Biol | 王连荣/陈实联合破解噬菌体胞嘧啶超修饰合成密码|dna|介导|噬菌体|基化|王连荣|胞嘧啶|陈实(1923年)

随着全球范围内抗生素耐药感染形势日益严峻，新型抗生素研发步履维艰，噬菌体疗法作为一种潜在替代方案备受瞩目。然而，其临床应用面临的核心挑战之一，是噬菌体与宿主细菌之间永无止境的“军备竞赛”。细菌进化出CRISPR-Cas、限制 -修饰等多重精密防御系统以切割外来DNA，而噬菌体则演化出纷繁复杂的DNA修饰策略，为自身基因组披上化学“隐形斗篷”，以逃逸宿主识别。解析这些前所未见的DNA修饰机制，对于深入理解生命进化博弈的逻辑、构建更稳定的工业微生物底盘、乃至开发更高效的噬菌体疗法，都具有重要意义。

2026年 4 月 1 日，深圳市儿童医院、深圳市转化医学研究院（深圳大学第一附属医院）和武汉大学紧密合作，王连荣教授团队和陈实教授团队联合在Nature Chemical Biology在线发表了题为Dual Cytosine Modification via Hydroxylation and Arabinofuranosylation in Phages的研究论文，完整揭示了一种由噬菌体编码的全新胞嘧啶超修饰系统的合成机制，为理解微生物攻防提供了全新视角。

王连荣教授团队与陈实教授团队长期致力于解析微生物表观遗传修饰及其介导的免疫防御与拮抗网络【1,2】。系统研究了DNA磷硫酰化修饰及其介导的宿主免疫系统，发现该修饰及其耦合的防御系统在微生物界广泛存在【3】。利用单分子测序、荧光成像及质谱定量技术，实现了磷硫酰化修饰的可视化与精准定位，并绘制了其全基因组图谱【4,5】。该修饰不仅与N6-甲基腺嘌呤（6mA）修饰共存互作，也参与基因表达调控等生理过程【6,7】。更为重要的是，磷硫酰化修饰可作为一套高效细菌免疫系统的“自我”标签，帮助防御系统区分“自我”与“非我”DNA，从而特异性抵御噬菌体入侵。其中，Dnd系统介导的双链修饰可与多种效应器组合，形成从简单（如单个感知蛋白DndI）到复杂（如切割复合物DndFGH）的防御模块【8,9】。还揭示了噬菌体对抗此类系统的一种广谱策略：即编码一种蛋白质激酶，通过磷酸化同时抑制宿主的磷硫酰化、CRISPR-Cas及多种新型防御系统【10】。此外，在弧菌中发现了由SspABCD介导的单链磷硫酰化修饰系统（ Ⅱ 型），其与切刻酶SspE协同形成防御屏障，赋予宿主广谱噬菌体抗性，并已成功应用于构建抗噬菌体工程菌株【11-13】。

联合研究团队的研究还拓展至古菌与嗜热微生物，发现了由 tdpABC 编码的、极为精简的新型磷硫酰化系统（ Ⅲ 型），其中仅需TdpC单个蛋白即可完成修饰，并揭示了其通过DNA腺苷化中间体进行的化学生物学修饰途径【14】。近期，还解析了Ppl系统通过感知NTP耗竭与特定DNA末端双重信号、激活“流产感染”以抵抗噬菌体的新模式。这些系列工作层层深入，揭示了微生物防御与反防御网络的复杂性与精巧性【15】。

为进一步挖掘新型DNA修饰，联合研究团队将目光投向噬菌体基因组，最终在大肠杆菌噬菌体HY126中发现了一种全新的D-阿拉伯呋喃糖基化-5-羟基胞嘧啶修饰，并完整解析了其生物合成基因簇（Afh）及多步化学生物学催化途径。该超修饰的合成始于对底物的精密“预制” ：噬菌体编码的dCTP酶（AfhA）将宿主dCTP水解为dCMP，既为下游反应提供专用底物，也避免了普通胞嘧啶掺入，保证了修饰的“纯净性” ；随后，一种新型的黄素依赖单加氧酶AfhB催化关键步骤，在dCMP的胞嘧啶C5位引入羟基，生成5hdCMP。与经典T4噬菌体羟甲基化途径不同，此羟基化中间体并不直接进入DNA合成，而是进入一个前所未有的“ 复制前糖基化”步骤。

为此，噬菌体进化出一套巧妙的“糖基供体车间”：AfhE与AfhF协同，将宿主来源的D-阿拉伯糖-5-磷酸转化为高能糖基供体UDP-D-阿拉伯呋喃糖。接着，核苷酸糖基转移酶AfhC利用该糖基供体，在5hdCMP的羟基上添加第一个阿拉伯糖基，生成 Ara f -5h dCMP。随后，噬菌体编码的激酶AfhD将其逐步磷酸化为 Ara f -5h dCTP。重要的是，噬菌体DNA聚合酶能够直接利用这种经过修饰的 Ara f -5h dCTP进行基因组复制，从而合成出初次糖基化的DNA ，而AfhA不能水解这种具有复杂修饰度的dCTP类似物。噬菌体还编码了DNA糖基转移酶AfhG，它以已完成复制的DNA为底物，在已存在的 Ara f -5h dC上通过β-1,3糖苷键添加第二个阿拉伯糖基，将大部分单糖基化位点转化为最终的双糖基化产物 di-Ara f -5h dC。这套从核苷酸前体“预修饰”到DNA“后修饰”的两步糖基化策略，为噬菌体基因组构筑了强大的物理与化学屏障，使其能有效抵抗多种限制性内切酶的切割。

图1：D-阿拉伯呋喃糖基化-5-羟基胞嘧啶修饰合成机制模式图

该研究不仅揭示了一种全新的DNA碱基修饰化学结构（D-阿拉伯呋喃糖基化-5-羟基胞嘧啶），更重要的是完整揭示了一条从“零件制备”到“成品组装”的多步酶促合成通路，阐明了噬菌体为逃逸宿主防御而演化出的、极具创造性的“化学生物学解决方案”。这项工作揭示了一种全新的抗宿主防御范式，拓展了核酸修饰化学生物学的已知边界，深化了对微观生命“军备竞赛”复杂性的理解，并为未来设计具有广谱抗性的工程化噬菌体提供了的功能元件与理论蓝图。

何宇博士后为本文第一作者，王连荣教授和陈实教授为共同通讯作者。

文章链接：

https://www.nature.com/articles/s41589-026-02150-z

免费文章链接：

https://rdcu.be/fa9Zq

制版人：十一

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