Cell｜全新双逆转录酶细菌免疫系统：同时以RNA、蛋白为模板合成双链DNA抵御噬菌体|dna|rna|免疫系统|单链|双逆转录酶|噬菌体|细菌|蛋白

撰文 |水王星

注：2026年4月16日，斯坦福大学的Alex Gao课题组（博士后邓谱涓、Hyunbin Lee与博士生Carlo Armijo为该研究的共同第一作者）在Science上发表了题为Protein-templated synthesis of dinucleotide repeat DNA by an anti-phage reverse transcriptase的研究论文，报道了类似的工作（详见BioArt报道：，扩展阅读：）。这篇Cell于2026年5月2日投稿，6月24日返修，7月8日接收，7月28日在线。

逆转录酶（Reverse transcriptase,RT）长期被证实广泛存在于细菌与古菌基因组中，这类酶多数被整合到抗噬菌体防御通路，统称为防御相关逆转录酶（Defense-associated reverse transcriptase,DRT）。其中第一类（Class 1）通常将RT与αRep重复结构域融合，无需核酸模板即可合成DNA ；第二类（Class 2）则依靠非编码RNA（ncRNA）作模板生成互补DNA（cDNA）；第三类（Class 3）研究相对较少，常预测与磷酸水解酶等效应结构域偶联，可耦合DNA合成与下游免疫效应通路。但是两类核心DRT的协同抗病毒免疫机制、细菌识别噬菌体入侵的激活方式，以及防御源性DNA产物的致毒原理，目前仍缺乏清晰阐释，是该领域亟待破解的关键科学问题。而 DRT3系统是一类特殊的复合型防御逆转录酶系统，同时包含Class 1与Class 2两类逆转录酶组分，有望成为解析上述未知机制的关键模型，但此前其完整作用机制始终未知。

近日，哥伦比亚大学Samuel H. Sternberg团队联合东京大学Hiroshi Nishimasu团队，在Cell发表题为Coordinated RNA- and protein-templated synthesis of double-stranded DNA by a dual reverse transcriptase immune system的研究，该工作首次解析DRT3双组分免疫系统完整作用通路，证实这套系统分别依靠两种逆转录酶，以RNA、氨基酸残基（蛋白）为模板合成互补单链，自发组装双链DNA，感知噬菌体抑制宿主核酸酶的信号后启动流产感染（abortive infection，细菌主动死亡阻断噬菌体扩散）。

首先，研究团队通过系统进化树分析发现， DRT3系统携带两种分属不同类群的逆转录酶DRT3a与DRT3b ，DRT3a 属于 2类DRT，DRT3b 属于 1类DRT，同时系统下游配套一段保守非编码RNA。为解析两种酶各自的合成产物，研究者建立cDIP-seq（cDNA免疫沉淀测序）技术，富集DRT结合的DNA片段并分析序列特征。测序结果显示，DRT3a仅在配套ncRNA存在时，持续合成多聚dTdG重复单链DNA ，该ncRNA环区保守5′-ACACAC-3′序列是合成必需模板；DRT3b则完全不依赖RNA模板，专一产出互补的多聚dCdA重复单链DNA ，两种单链序列完全互补，可自发退火形成双链DNA。

紧接着，团队利用体外重组蛋白纯化、尿素凝胶电泳、高通量测序体系分别验证两种逆转录酶的底物偏好。实验证实DRT3a仅利用dGTP、dTTP两种脱氧核苷酸完成合成，缺失ncRNA时完全丧失催化活性；DRT3b仅识别dATP、dCTP，无需任何核酸模板即可持续合成产物。同时PicoGreen双链DNA荧光定量实验证明，共表达DRT3a、DRT3b时体系内双链DNA含量随时间显著累积，单独表达任意一种酶均无双链DNA信号，直接证明两种酶的产物配对形成双链DNA 。

为解释DRT3b无核酸模板仍精准交替掺入dA、dC的独特机制，研究解析分辨率3.1Å的DRT3b冷冻电镜（cryo-EM）结构。DRT3b以同源六聚体形式发挥功能，每条多肽链C端酪氨酸Y666作为共价连接的引物， DNA链直接结合在蛋白残基上完成延伸。活性中心两个高度保守氨基酸E22、R241起到分子门控作用，E22特异性结合dATP、排斥dTTP与dGTP，R241特异性结合dCTP，二者随DNA链延伸交替切换底物结合位点，强制生成严格交替的dCdA重复序列，这是全球首个被证实以蛋白质氨基酸残基为模板的DNA聚合机制。

在此基础上，团队进一步挖掘DRT3系统的入侵感知通路。研究筛选能逃逸DRT3防御的λ噬菌体突变株，所有逃逸突变全部集中在噬菌体 gam 基因，Gam蛋白的功能是结合并抑制宿主RecBCD（双链DNA外切酶）。正常未感染细胞内，RecBCD持续降解DRT3生成的双链DNA，产物浓度维持在无毒阈值；噬菌体入侵后表达Gam蛋白抑制RecBCD，双链DNA无法被降解而大量累积，最终触发流产感染，被感染细菌提前死亡，阻断噬菌体增殖传播。研究者还通过转座子高通量筛选（Tn-seq）找到防御必需宿主因子GreA，该转录延伸因子参与双链DNA触发的细胞毒性通路。

这项工作突破性拓展了原核逆转录酶的催化边界，在生物体内发现蛋白模板指导的DNA合成反应，颠覆DNA复制仅依靠核酸模板的经典认知。同时完整阐明DRT3“双酶分工合成互补双链、感知噬菌体核酸酶抑制信号启动免疫”全新防御范式，为原核生物抗病毒免疫、非常规核酸合成酶进化研究开辟全新方向，也为人工可编程DNA合成工具开发提供天然酶元件模板。