Science丨朱斌/王隆飞团队合作阐明DNA合成激活RNA切割的新型免疫机制——集三种酶活于一体的DRT4系统|dna|rna|免疫机制|单链|噬菌体|朱斌|王隆飞|蛋白

编辑丨酶美

细菌与噬菌体的万亿年军备竞赛

在长达万亿年的演化史中，细菌与其宿敌噬菌体之间展开了一场永不停歇的进化军备竞赛。为了在这场生存游戏中不被淘汰，细菌演化出了令人叹为观止的免疫武器库，从广为人知的 CRISPR-Cas 系统到限制性修饰（ R-M ）系统，每一件武器都精准而致命。

然而，科学界正揭开一个更深层的秘密：一些本该负责遗传信息传递的酶，正在前线扮演着全新的角色。逆转录酶（RT）在我们的传统印象中，总是忙于以 RNA 为模板合成 cDNA 。但在近期发现的 DRT3 （防御相关逆转录酶 3，Defense-associated Reverse Transcriptase 3 ）面前，这种固有认知被彻底颠覆了，由于新闻报道的偏差一度引发了是否真正改写“中心法则”的热议（；）。

2026年5 月 22 日，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”。对DRT4系统开展了深入的生物化学与酶学分析，发现了DRT4除了具有蛋白引发的DNA聚合酶功能外，还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DRT4系统发挥抗病毒作用的关键效应机制。

DRT4 的独特性首先在于其独立性，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。与依赖非编码 RNA （ ncRNA ）引导的 DRT2、DRT3 或 DRT9 不同，它不依赖任何ncRNA，仅凭蛋白质本身就能完成整套防御逻辑。

尽管保留了 RT 家族标志性的 YxDD 催化基序（残基 238-241 ）， DRT4 却展现了三种截然不同的活性：蛋白质引发的模板独立 DNA 聚合酶； DNA 外切酶；G特异性 RNA 内切酶。

研究团队发现：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。

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（下图）。

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。

这种在一个酶架构上集成合成与双重降解功能的演化策略，在生物化学界极其罕见，打破了单一酶功能的传统边界。DRT4的发现是对我们理解酶演化潜能的又一次深刻教育，它证明了逆转录酶的骨架（scaffold）可以被重新编程为感应复杂环境信号的精密机器。

总的来说，上述发现大幅拓展了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。

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。

编后记：2020 年， Science 发表了 Broad 学院张锋团队的研究，对 6.2 亿种细菌 / 古细菌蛋白进行了挖掘和验证，发现了多种抗病毒基因簇。研究还深入解析了三大抗病毒免疫系统： RADAR 、 DRT 逆转录酶系统和反转录子系统（）。 2024 年，张锋团队在 Science 发表了对 DRT2 系统的研究论文，揭示了非编码 RNA 逆转录生成毒蛋白，助力细菌抵抗噬菌体感染（）。 2025 年 5 月，南方科大贾宁团队在 Science 发文，揭示了 DRT9 系统和非编码 RNA 合作的工作机制，细菌通过逆转录产生大量富含 poly-A 的长度可达数千个核苷酸的 cDNA 重复序列，来抵御噬菌体的感染（）。Samuel Sternberg实验室稍晚一个月左右在Nature上系统揭示了DRT9的工作机制（详见：）。2026 年 4 月， Science 发表了 DRT3 的发现和工作机制，以蛋白为模板进行 DNA 合成的逆转录酶， BioArt 也进行了报道（），前几日Samuel H. Sternberg组把DRT3的工作放在了预印本bioRxiv 。此外，贾宁团队与4月19日在预印本bioRxiv上post了DRT7的工作，国外同行其实在稍早前的2月就把DRT7的工作也放在了bioRxiv上，还有国外团队不久post了DRT10和DRT1的工作。

由上可知，新型DRT系统领域的竞争是多么的激烈，至少预印本上就有5篇相关工作待发，或许要不了几天上面几篇预印本工作也差不多会发表在CNS上，Science也不能把DRT家族全吃了。