打破认知！Science研究揭示蛋白质也能作为模板指导DNA合成

在生命科学领域，核酸聚合酶是驱动遗传信息复制、修复与传递的核心分子机器。

长久以来，核酸聚合酶依据其催化机制被划分为两大功能类别：一类是以现有核酸链为模板进行精确拷贝的模板依赖性聚合酶，包括DNA聚合酶和RNA聚合酶等，它们维系着基因组稳定性与基因表达；另一类则是模板非依赖性聚合酶，如末端脱氧核苷酸转移酶和CCA添加酶等，其产物通常仅限于同聚物、短序列基序或随机延伸的末端序列，序列复杂性受到极大限制。

近年来，细菌防御相关逆转录酶作为一类新兴的核酸聚合酶来源引起了广泛关注，这类隶属于“未知组”逆转录酶分支的酶系统在抵御噬菌体感染过程中展现出高度多样化的非经典合成活性：例如AbiK催化蛋白引物依赖的随机核苷酸添加，DRT9合成蛋白引物的poly(dA)同聚物链，而DRT2则能产生串联重复的cDNA以重构新基因。

在这些系统中，DRT3因其独特的组成而格外引人注目——它同时编码两个分属不同进化支的逆转录酶Drt3a和Drt3b，并与一条非编码RNA构成核糖核蛋白复合物，然而其具体的核酸合成机制与产物特征在此前始终未得到解析。

基于此，近日，斯坦福大学生物化学与微生物学助理教授高林沂在国际顶级期刊Science上发表了一篇重磅研究，揭示了细菌抗噬菌体防御系统DRT3通过两种逆转录酶协同作用，合成严格交替二核苷酸重复序列双链DNA的独特分子机制。

研究发现DRT3系统由两个分属不同进化支的逆转录酶Drt3a和Drt3b以及一条约130个核苷酸的非编码RNA共同组成稳定的六聚体核糖核蛋白复合物，在无噬菌体感染时即可组成型地产生由poly(GT)和poly(AC)互补配对而成的双链DNA产物，且该防御功能依赖于两个逆转录酶的活性中心以及非编码RNA的完整性。

通过解析静息态和延伸态下分辨率达2.6埃的冷冻电镜结构，研究者阐明了两个逆转录酶截然不同的合成机制。Drt3a亚基采用经典的右手型聚合酶折叠，其拇指结构域将非编码RNA中保守的A¹⁰⁸CACAC¹¹³基序锚定至活性位点，以A¹⁰⁸和C¹⁰⁹作为模板碱基，利用非编码RNA为模板催化合成poly(GT)单链，该过程与端粒酶的RNA模板依赖合成方式高度相似。

而Drt3b亚基则在完全缺乏核酸模板的条件下工作——其模板结合通道被自身C末端和特异的内部环结构所封闭，N末端保守的Glu26侧链伸入核苷酸结合口袋，模拟模板碱基与即将掺入的dATP形成特异性氢键，同时前一位置的dC碱基与Arg253及Glu26发生精确的氢键网络识别，由此以蛋白质自身作为模板严格指导poly(AC)互补链的交替合成。Drt3b产物的聚合起始则依赖于C末端Tyr650残基作为蛋白引物共价连接新生DNA链。

此外，研究通过适应性进化筛选出能够逃逸DRT3防御的T1噬菌体突变株，并锁定噬菌体编码的ST61蛋白为激活该防御系统的必要触发因子。

综上所述，该工作不仅明确了DRT3以非编码RNA为模板和以蛋白质自身为模板两种并行机制制造特定重复序列双链DNA的协同防御策略，更首次揭示了一种由蛋白质残基直接编码长程DNA序列信息的非经典聚合模式，极大拓展了对核酸聚合酶催化功能与生物信息传递方式的认识边界。

参考文献：

https://doi.org/10.1126/science.aed1656