Vita | 施一公团队发现蛋白可直接“从头合成”RNA|rna|施一公|核苷酸|核酸|活性|细胞|蛋白

RNA是生命活动中一类十分重要的分子。它不仅负责传递遗传信息，还参与基因调控、蛋白质合成和多种细胞反应。无论功能怎样变化，RNA在化学结构上都有一个共同特点：它由A、U、C、G四种核苷酸连接而成。

细胞把核苷酸连接成RNA，常见的方式有两类：一是由RNA聚合酶读取核酸模板（DNA或RNA），按照模板顺序合成新的RNA；另一类酶不需要模板，但要以已有RNA为起点，在其末端继续添加核苷酸。

那么，如果既不给蛋白提供可供读取的模板，也不给它一条现成的RNA引物作为起点，只提供四种游离核苷酸，它还能不能从第一个化学键开始，自行合成一条RNA呢？

2026年10月20日，西湖大学生命科学学院施一公教授、占谢超副研究员团队在Vita发表研究论文De novo RNA synthesis from free nucleotides by a family of conserved plant proteins，报道了水稻蛋白OsNTP4的一项此前未被认识的活性：在体外实验中，它能以四种游离核苷酸为底物，在未额外加入核酸模板或引物的条件下合成RNA。研究人员还在另一种水稻蛋白OsNTP10和拟南芥蛋白AtURT1中观察到了类似活性。

从蛋白结构出发，寻找线索

研究的起点是一次蛋白质结构搜索。研究团队以人源cGAS蛋白的催化结构域为参照，在水稻、拟南芥和玉米的AlphaFold预测结构数据库中寻找结构相似、但序列同源性低的蛋白。初步搜索得到了266个候选蛋白；经过结构相似性和催化位点筛选，范围缩小至19个保留了相应三个催化氨基酸的植物蛋白。

研究人员选择其中的水稻蛋白OsNTP4作进一步检验。它的AlphaFold预测结构显示，尽管OsNTP4与人源cGAS的氨基酸序列差异很大，它们的催化中心却呈现出明显的结构相似性，几个可能参与催化的关键酸性氨基酸也处在相近位置。不过，结构相似只是线索；OsNTP4究竟能催化什么反应，还需要实验回答。

OsNTP4将游离核苷酸连成RNA

研究团队将纯化的OsNTP4蛋白与四种合成RNA的基本核苷酸（ATP、GTP、CTP、UTP）混合孵育。色谱分析显示，加入OsNTP4后，部分底物减少，同时出现了新的产物。进一步的凝胶电泳表明，产物是一组长短不一的链状分子，主要长度分布为50–300个核苷酸。将OsNTP4催化位点中的三个催化氨基酸分别突变后，合成活性消失，说明这三个氨基酸对反应至关重要。

产物的化学身份也需要确认。以ATP、UTP或CTP为原料得到的产物可被 RNA消化酶消化；核磁共振（NMR）分析进一步显示，这三类产物相邻核糖之间通过标准的3′-5′磷酸二酯键连接——这是天然RNA的标志性化学键。以GTP为唯一原料时，产物较少、链也较短，多数可被 RNA消化酶降解。这些实验表明，OsNTP4蛋白合成的产物与细胞中的天然RNA是一样的。

排除污染，活性确实来自OsNTP4

观察到RNA产物后，还必须回答一个关键问题：从头合成RNA的真是OsNTP4，还是蛋白样品中混入了核苷酸、短RNA或其他酶？为了排除这些可能，研究团队从三个方面进行了验证。

第一，研究人员利用质谱检查纯化后的OsNTP4。测得的蛋白分子量与理论值一致，也没有发现与蛋白结合的其他可疑小分子。

第二，研究人员用蛋白酶K将OsNTP4完全分解。如果样品中夹带了游离核苷酸或短RNA，它们在蛋白被分解后仍应能够被检测到，但实验并未发现这些物质。

第三，研究人员将OsNTP4制成蛋白晶体。结晶和反复洗涤可以进一步减少样品中的可溶性杂质。将洗涤后的晶体溶解并用于反应，仍然能够合成长链RNA；而来自同一结晶液、没有形成晶体的部分则没有表现出这种活性。

这三组实验从不同角度排除了残留核苷酸、核酸或其他酶造成实验假象的可能，表明不依赖模板和引物的RNA合成活性确实来自OsNTP4本身。

这种能力并非OsNTP4独有

确认OsNTP4的活性后，研究人员进一步追问：它是一个特殊的个例，还是代表了一类具有相似能力的植物蛋白？

实验发现，与OsNTP4亲缘关系较近的水稻蛋白OsNTP10和拟南芥蛋白AtURT1（又称AtNTP3），在体外同样能够从游离核苷酸开始合成RNA。其中，AtURT1过去被认为主要负责在已有RNA的3′端添加尿苷（U）。新的实验结果表明，它不仅能够延长已有RNA，在没有模板和RNA引物的情况下，也能从游离核苷酸开始合成RNA。

研究人员共分析了来自水稻、拟南芥和玉米的47种相关蛋白。根据它们的进化关系，OsNTP4、OsNTP10和AtURT1被归入一个包含五种蛋白的分支。这些蛋白具有相似的催化核心，但目前只有上述三种经过了实验检验。这个分支中的另外两种蛋白是否也具有相同活性，还需要进一步验证。

这些结果提示，不依赖模板和引物合成RNA的能力可能并非OsNTP4独有。至少部分家族成员可能既能在已有RNA的末端添加核苷酸，也能直接从游离核苷酸开始合成RNA。不过，目前的证据主要来自体外实验。这些蛋白在植物细胞中是否也会合成RNA，以及生成的RNA承担什么功能，仍然是未知的。