挑戰(zhàn)中心法則？中國博后一作Science：發(fā)現(xiàn)首個以蛋白質(zhì)為模板合成DNA的逆轉(zhuǎn)錄酶

撰文丨王聰

編輯丨王多魚

排版丨水成文

生命的藍圖如何代代相傳？中心法則為我們描繪了遺傳信息從 DNA 到 RNA 再到蛋白質(zhì)的經(jīng)典路徑。隨后，逆轉(zhuǎn)錄酶（RT）和RNA依賴的RNA聚合酶（RdRp）的發(fā)現(xiàn)，打破了遺傳信息單向流動的傳統(tǒng)認知。

然而，在這些已知的生命過程中，一個共同的“規(guī)則”似乎從未被打破——所有序列特異性的聚合酶，都必須依賴一條核酸（DNA 或 RNA）作為合成的模板。那么，一個更大膽的問題隨之而來——生命世界中是否存在“例外”？有沒有一種聚合酶，可以完全擺脫對核酸模板的依賴，直接以蛋白質(zhì)為模板來合成 DNA？ 換句話說，蛋白質(zhì)所蘊含的化學信息，能否直接被“翻譯”回 DNA 的遺傳密碼中？這需要一種前所未見、真正意義上的“蛋白質(zhì)依賴的DNA聚合酶”。

2026 年 4 月 16 日，斯坦福大學Alex Gao課題組（博士后鄧譜涓等為論文第一作者）在國際頂尖學術(shù)期刊Science上發(fā)表了題為：Protein-templated synthesis of dinucleotide repeat DNA by an anti-phage reverse transcriptase 的研究論文。

該研究首次發(fā)現(xiàn)并闡明了一種細菌逆轉(zhuǎn)錄酶Drt3b，它無需核酸模板，僅利用自身氨基酸側(cè)鏈作為“模具”，就能精確合成特定序列的 DNA。這一發(fā)現(xiàn)，是自 1970 年諾獎得主David Baltimore等人發(fā)現(xiàn)逆轉(zhuǎn)錄酶以來，對生命信息傳遞基本規(guī)則的又一次顛覆，不僅填補了生命信息傳遞的關(guān)鍵拼圖，也為我們理解生命的編碼規(guī)則開辟了新維度。

Science期刊同期發(fā)表的評論文章稱，這項研究揭示了生命產(chǎn)生 DNA 的“全新方式”（fundamentally new way），“挑戰(zhàn)了遺傳密碼的中心法則”（challenges genetic code’s central dogma）。

細菌的 DRT3 防御系統(tǒng)

在微生物世界的戰(zhàn)場上，細菌與噬菌體（專門感染細菌的病毒）之間永不停歇的“軍備競賽”，催生了無數(shù)精妙絕倫的防御系統(tǒng)。

防御相關(guān)逆轉(zhuǎn)錄酶（Defense-associated Reverse Transcriptase，DRT）是廣泛存在于細菌中的抗噬菌體防御系統(tǒng)。該研究發(fā)現(xiàn)，DRT3由兩種不同的逆轉(zhuǎn)錄酶（Drt3a 和 Drt3b）以及一種非編碼 RNA（ncRNA）組成，這三者緊密結(jié)合，形成一個穩(wěn)定的“核糖核蛋白復合體”（RNP）。只有這三者齊全，該防御系統(tǒng)才能發(fā)揮抵御噬菌體的功能。

這個防御系統(tǒng)的工作成果包括一種特殊的 DNA：長長的、由“GT”堿基對（鳥嘌呤-胸腺嘧啶）和“AC”堿基對（腺嘌呤-胞嘧啶）交替重復組成的雙鏈 DNA（dsDNA），即poly(GT/AC) 重復序列。

分工明確的“雙人舞”

DRT3系統(tǒng)的精妙之處，在于其內(nèi)部兩種酶采用了完全不同的“工作手冊”，最終卻能默契配合，產(chǎn)出完美配對的產(chǎn)物。

1. Drt3a：遵循 RNA 藍圖的“傳統(tǒng)工匠”，Drt3a 扮演了相對傳統(tǒng)的角色。它像經(jīng)典的逆轉(zhuǎn)錄酶一樣，需要一個核酸模板來指導合成。這個模板就藏在與其搭檔的非編碼 RNA（ncRNA）中一段高度保守的“ACACAC”序列里。Drt3a “閱讀”這段 RNA 模板，嚴格按照堿基配對原則，合成出與之互補的、由“GT”重復組成的單鏈 DNA。冷凍電鏡結(jié)構(gòu)清晰地展示了 Drt3a 如何與 RNA 模板及新生的 DNA 鏈結(jié)合，這是一個經(jīng)典的、模板依賴的合成過程。

2. Drt3b：無需模板的“自由藝術(shù)家”，相比之下，Drt3b 的工作方式堪稱革命性。它的任務(wù)是合成與 Drt3a 產(chǎn)物互補的另一條鏈，即“AC”重復序列。但令人驚訝的是，Drt3b 的活性中心完全被自身的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)所占據(jù)，沒有任何核酸模板的容身之處。那么，它是如何確保精準地交替加入 A 和 C，形成完美的 poly(AC) 鏈的呢？

答案在于——蛋白質(zhì)本身充當了模板。該研究發(fā)現(xiàn)，Drt3b 活性中心內(nèi)兩個高度保守的氨基酸殘基（谷氨酸 Glu26 和精氨酸 Arg253）起到了決定性作用。它們像一雙靈巧的“分子模具”，通過特異性的氫鍵、空間位阻和陽離子-π 相互作用，直接“識別”并引導正確的脫氧核苷酸（dATP 和 dCTP）依次加入。例如，Glu26 的側(cè)鏈伸入到核苷酸結(jié)合口袋，其形狀和化學特性使其能夠模擬一個“模板堿基”，精確地選擇 dATP，而排斥其他堿基。這種由蛋白質(zhì)氨基酸側(cè)鏈的化學特性來強制執(zhí)行堿基選擇的機制，是前所未有的。它徹底擺脫了對核酸模板的依賴，實現(xiàn)了“從無到有”的、序列特異的 DNA 合成。

論文通訊作者Alex Gao表示，蛋白質(zhì)本身充當 DNA 序列的藍圖，這真是個大驚喜，是生命產(chǎn)生 DNA 的一種全新方式。

DRT3 的 DNA 合成機制：經(jīng)典的核酸模板與顛覆性的蛋白質(zhì)模板

協(xié)同作戰(zhàn)

Drt3a 以 RNA 為模板合成 poly(GT) 單鏈，Drt3b 則以自身為模板合成 poly(AC) 單鏈。這兩條單鏈因為序列完全互補，會自動退火結(jié)合在一起，形成最終的雙鏈 DNA（dsDNA）產(chǎn)物。實驗證明，只有同時具備兩個酶的功能，才能合成有功能的雙鏈 DNA；破壞其中任何一個酶的活性，細菌的防御能力就會喪失，盡管另一條單鏈仍能被合成。這凸顯了雙鏈的協(xié)同產(chǎn)生對于防御功能至關(guān)重要。

研究團隊進一步發(fā)現(xiàn)，DRT3 系統(tǒng)的激活似乎需要一個“開關(guān)”——噬菌體自身編碼的一種名為 ST61 的蛋白質(zhì)。當噬菌體感染時，其攜帶的 ST61 可能觸發(fā)了細菌 DRT3 防御系統(tǒng)的 DNA 合成。

DRT3 系統(tǒng)的抗噬菌體分子機制

至于這些 poly(GT/AC) 序列在噬菌體防御中的具體作用，目前仍有待探索。研究團隊提出了幾種可能的機制：這些重復序列可能形成復雜的、有缺口的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，像一張“分子粘網(wǎng)”一樣吸附并中和噬菌體復制所必需的蛋白質(zhì)；或者，它們特殊的序列容易形成非標準的 DNA 結(jié)構(gòu)（例如滑動錯配結(jié)構(gòu)），這些異常結(jié)構(gòu)可能干擾噬菌體的正常生命活動。無論是哪種機制，其核心作用機制都是充當“分子海綿”或“誘餌”，消耗或干擾關(guān)鍵的病毒組件。

顛覆認知的科學意義

這項研究不僅發(fā)現(xiàn)了一個全新的抗病毒防御系統(tǒng)，更深刻地拓展了我們對生命核心過程——核酸合成的理解——

• 打破了“核酸模板依賴”范式：傳統(tǒng)觀點認為，長鏈、序列特異的核酸合成必須依賴核酸模板。Drt3b 展示了蛋白質(zhì)自身可以作為模板，實現(xiàn)高度特異的、長鏈 DNA 的合成，這為酶學領(lǐng)域開辟了全新方向。

• 擴展了逆轉(zhuǎn)錄酶的功能宇宙：細菌中的防御相關(guān)逆轉(zhuǎn)錄酶（DRT）家族不斷刷新我們的認知。從合成隨機序列、同聚物到重建新基因，再到如今的蛋白質(zhì)模板化合成，它們展現(xiàn)了驚人的功能多樣性。DRT3 系統(tǒng)中的兩種酶協(xié)同工作，分別采用核酸模板依賴和蛋白質(zhì)模板機制，最終生成互補 DNA 雙鏈，這種方式在已知的 DRT 系統(tǒng)中是獨一無二的。

• 為生物技術(shù)和合成生物學提供新思路：理解并改造這種蛋白質(zhì)模板機制，未來或許能讓我們設(shè)計出可以按需合成特定序列 DNA 的“可編程聚合酶”，為 DNA 合成和數(shù)據(jù)存儲等領(lǐng)域帶來革命性工具。

總的來說，DRT3 系統(tǒng)就像自然界編寫的一部精妙劇本，其中既有遵循經(jīng)典法則的“保守派”，也有大膽創(chuàng)新的“革新者”。它們通力合作，利用前所未有的蛋白質(zhì)模板機制，為細菌鑄造出防御噬菌體入侵的特殊分子武器。

論文鏈接：

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