华中科技大学与武汉大学团队合作发现，一种名为DRT4的细菌蛋白虽然叫“逆转录酶”，却不会做逆转录。它真正的功能是：先给自己接上一段DNA，再感应到病毒入侵信号后，转头去切RNA。这一套“自产自切”的组合拳，直接把病毒和宿主细胞的RNA剪成碎片，感染就此终止。这项研究于5月21日在线发表在《科学》杂志上。
除了CRISPR这类广为人知的系统，科学家近年从细菌基因组的“防御岛”中挖出了一大批陌生基因，其中一类被称为DRT——防御相关逆转录酶。名字里带“逆转录酶”，按常理推测应该用RNA做模板来合成DNA，但华中科技大学生命科学与技术学院朱斌团队、武汉大学药学院王隆飞团队以及王雄略团队合作研究发现，DRT4根本不会逆转录。它干的活，跟教科书里的逆转录酶完全不是一回事。
DRT4是一种多功能酶。它首先是一个不需要模板的DNA聚合酶，能用自己的蛋白作为“引物”把单链DNA一段段接上去；同时它又是一个3′→5′的外切酶，能把自己刚合成的DNA再切掉。这两个功能在细胞内维持动态平衡，合成和降解的速度大致相当。但噬菌体一来，平衡就被打破了。病毒复制需要大量原料——脱氧核苷酸，尤其是dGTP和dATP，在感染后的细菌里浓度飙升。DRT4对dGTP和dATP有很强的偏好，原料多了聚合反应就占上风，DNA链越接越长。
问题在于，长了之后怎么办？研究团队发现，如果合成的是富含dG的单链DNA，这种序列容易自己折叠成稳定的二级结构，从聚合酶的活性口袋里“弹”出来；如果合成的是富dA的链，结构比较松散，则需要病毒自己带进细菌的SSB蛋白——单链DNA结合蛋白——来帮忙把它拉出来。不管是自己弹出还是被拉出，结果都一样：DRT4的聚合酶口袋里空了。而这个“空口袋”正是关键信号。冷冻电镜结构显示，口袋一空，整个六聚体会发生约10度的相对旋转，在相邻两个亚基之间“长”出一个新的带正电的RNA结合位点。
接下来就是致命一击。一旦RNA口袋组装完成，DRT4就变成一个高效的RNA内切酶。它专挑RNA链上的鸟嘌呤（G）位点下手，在G的两侧各切一刀，直接把一个GMP从中间“挖”出来。被切过的RNA两段对不上，就算病毒有自己的RNA连接酶也没法重新接回去——因为少了一个核苷酸。研究团队在试管实验中验证了每一步：纯化的DRT4加dGTP就能切RNA；如果用ddGTP先封死聚合酶活性，RNA切割也随之消失；如果预先用dGTP把DRT4延长，再换成不可掺入的dGTP类似物，切割照常进行——说明切割不依赖于dNTP的掺入，只依赖于“口袋空了”这一状态。
体内实验也给出了直接证据。研究人员让大肠杆菌表达DRT4，然后用T7噬菌体感染。感染10分钟后提取RNA，能看到大量小于200个核苷酸的碎片。高通量测序显示，这些碎片既有来自噬菌体mRNA的，也有来自宿主tRNA和rRNA的，碎片两端呈现清晰规律——5′端偏好G，紧邻上游的位置偏好U，正好对应体外实验中“U和G之间下刀”的模式。DRT4并非对所有噬菌体都有效：它能防T7和T5，却防不了T4。原因也找到了——T4的SSB蛋白无法激活DRT4的RNA切割。这套系统的“敌我识别”相当精细：既要检测dNTP水平的变化，又要辨认病毒带入的SSB蛋白，两个信号对上了才动手。有意思的是，DRT4的RNA切割并不直接杀死宿主细胞，而是让它进入休眠状态。在低感染复数下，T7仍然能在DRT4存在下完成几轮复制并释放子代，但感染强度一旦累积到一定程度，DRT4被彻底激活，细菌就不再生长了。
READING
BioPeers
热门跟贴