上海
细菌在与噬菌体的长期博弈过程中，进化出复杂多样的免疫系统，抵御噬菌体的入侵。2025年05月01日，南方科技大学医学院稳态医学研究院生物化学系贾宁科研团队在Science杂志上在线发表了题为
Bacterial reverse transcriptase synthesizes long poly-A-rich cDNA for anti-phage defense的研究论文。 该研究发现了一种由细菌逆转录酶DRT9和非编码RNA共同介导的新型抗噬菌体免疫策略：细菌通过逆转录产生大量富含poly-A的重复序列、长度达数千个核苷酸的单链cDNA，来抵御噬菌体侵染。这一发现不仅拓展了对细菌免疫机制的认识，而且丰富了对逆转录酶功能的理解，也为基于DRT9开发新型生物技术工具奠定了理论基础。
研究人员首先在大肠杆菌细胞内表达包含逆转录酶DRT9和非编码RNA （ncRNA）的DRT9系统，发现其通过流产感染（Abortive Infection, Abi）策略抵抗多种噬菌体的侵染（图1A and B）。随后，研究团队利用冷冻电镜技术成功解析了DRT9与ncRNA的整体结构，DRT9-ncRNA整体呈现一个双层六聚体形式，其编码的ncRNA呈现出独特的“树状结构”（图1C）。进一步的突变实验表明DRT9的多聚体状态及ncRNA的结构特征（而非具体序列）对其发挥防御功能至关重要。
图1. DRT9系统组装成六聚体的形式并可以抵抗多种噬菌体的侵染.图注：(A) E. coli A178菌株中DRT9系统基因组成示意图（上）。DRT9系统能够抵御多种噬菌体（下）。(B) DRT9系统通过流产感染的方式抵御噬菌体入侵。(C) DRT9-ncRNA六聚体复合物的2.62 Å冷冻电镜（Cryo-EM）结构。
同时，研究人员发现在高浓度dNTP和Mg²⁺条件下，DRT9能够合成超过1000 nt的单链cDNA且不需要额外加入引物。通过深入的结构分析，研究人员认为ncRNA向外翻转的U124位碱基在cDNA合成过程中至关总要，并且只需要高浓度的dATP就足以启动cDNA的合成。为了揭示DRT9合成cDNA的序列特征，研究人员运用Illumina二代测序和PacBio SMRT三代测序技术，并结合Southern blot和UPLC-MS分析证实DRT9合成的cDNA为长链的poly-A，长度可达几千核苷酸（图2A-C）。
图2. 噬菌体T4 的核糖核苷酸还原酶NrdAB激活DRT9合成可长链poly-A cDNA.图注：(A和B) DRT9-ncRNA复合物体外合成的cDNA二代测序（NGS）和三代PacBio单分子实时测序（SMRT）结果比例分布。(C) Southern blot实验证实DRT9合成的cDNA为poly-A。(D) Southern blot实验证实噬菌体NrdAB可以激活DRT9系统。(E) 火山图显示T4噬菌体感染含有DRT9的菌株后，其SSB蛋白表达水平显著提高。(F) 噬菌体SSB蛋白的过表达会抑制DRT9系统的抗噬菌体防御活性。
为阐明DRT9系统识别何种噬菌体入侵的信号，研究人员通过噬菌体逃逸实验发现携带有nrdA和nrdB突变（编码核糖核苷酸还原酶RNR亚基，能将核糖核苷酸转化为脱氧核糖核苷酸）的噬菌体能够逃逸DRT9系统。进一步实验表明当T4噬菌体入侵时，其NrdAB复合物将迅速升高胞内dNTP含量，从而激活DRT9系统，而当NrdAB发生突变时，胞内dNTP水平并没有显著变化，从而使噬菌体能够逃逸DRT9系统的识别（图2D）。这些结果表明了DRT9通过感知噬菌体侵染导致的dATP浓度升高而被激活。
为了研究DRT9系统如何干扰噬菌体的增殖，研究人员通过转录组测序分析发现当DRT9系统存在时，侵染噬菌体与DNA复制相关的基因显著上调，尤其是编码单链DNA结合蛋白SSB（single-stranded DNA-binding protein, SSB）的基因（图2E）。噬菌体的SSB蛋白在噬菌体基因组复制和转录过程中发挥了重要作用，进一步的生理实验也表明，当过表达SSB蛋白时，DRT9系统失去了对噬菌体的防御能力。这些结果表明DRT9合成的长链poly-A cDNA“扣押”了噬菌体的SSB蛋白，从而抑制噬菌体正常增殖。
图4. DRT9免疫系统作用机制
综上，噬菌体侵染细菌时，其编码的核糖核苷酸还原酶NrdAB促使宿主细胞内dNTP浓度迅速升高，为噬菌体基因组DNA合成提供原料。细菌DRT9免疫系统通过感知细胞内dATP浓度的升高被激活，逆转录合成大量富含poly-A序列、长度可达数千个核苷酸的单链cDNA。这些长链poly-A-rich cDNA因缺乏二级结构，成为单链DNA结合蛋白（SSB）的优良结合底物，从而通过扣押噬菌体复制必需的SSB蛋白，阻断噬菌体的复制，从而保护细菌（图3）。这一发现不仅拓展了我们对细菌免疫策略的理解，也丰富了对逆转录酶生物学功能的认识，建立了原核逆转录酶与真核端粒酶之间的分子联系，并为基于DRTs的生物技术工具开发提供了重要基础。
南方科技大学医学院稳态医学研究院生物化学系博士生宋心怡、博士后夏玉山，张峻涛为本论文的共同第一作者。南方科技大学医学院生物化学系贾宁副教授为本文的通讯作者。
南方科技大学医学院生物化学系贾宁课题组长期聚焦细菌和古细菌免疫系统抵御噬菌体和质粒入侵分子机制的研究，欢迎对该方向感兴趣的博士后、研究生以及本科生的加入（招聘长期有效）。
论文链接： http://doi.org/10.1126/science.ads4639
制版人： 十一
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