揭示细菌中双酶逆转录子防御系统Ec78的结构与分子机制 | 进展

逆转录子（Retron）是细菌体内重要的免疫系统组成部分，能利用自身逆转录酶（RT）合成一种独特的RNA-DNA杂交分子（msDNA）。此前研究表明，一些逆转录系统与特定的效应蛋白结合，形成“毒素-抗毒素”对，当细菌检测到噬菌体入侵时，逆转录系统被激活，毒素释放以清除受感染的细胞，从而保护细菌群体。

近期，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心软物质与生物物理实验室朱洪涛特聘研究员与天津医科大学张恒教授、袁智勇教授合作，在细菌抗病毒免疫研究领域取得重要突破。研究团队成功解析了细菌防御系统——Ec78逆转录子（Retron）的高分辨率三维结构，并揭示了其独特的“分子尺”激活机制。

本研究聚焦于Ec78系统，其显著特征在于采用了一种由ATP酶（PtuA）和核酸酶（PtuB）共同构成的双酶效应器来执行防御功能。研究团队利用冷冻电镜技术，成功解析了Ec78系统处于抑制状态下的三维结构，分辨率高达3.0 Å。结构分析表明，该复合物呈现出独特的花篮状架构（图1）。其中，msDNA分子像一根钉子嵌入由PtuA蛋白 dimer形成的正电荷凹槽中，同时逆转录酶（RT）也通过其结构域与PtuA紧密结合。这种多重相互作用如同安全锁，将PtuAB毒素复合物稳定地禁锢于非活性状态，从而防止其对细菌自身造成伤害。更为重要的是，研究揭示了系统响应病毒入侵的激活机制。团队发现，PtuB核酸酶上一个关键的“精氨酸-赖氨酸指状环”在抑制状态下被RT蛋白固定。通过构建一系列msDNA茎环长度截短突变体，他们证实当msDNA长度因外界因素（如噬菌体酶切）缩短至临界值以下时，会触发毒素复合物的释放与激活，导致细菌生长停滞以阻断病毒传播。这表明，msDNA在系统中充当了一把精密的分子尺，通过感知自身完整度来调控免疫应答的启停。该研究为基于逆转录子的前沿生物技术开发提供了新思路，有望启发科学家设计出更高精度、更强可控性的新型基因编辑工具和智能生物传感器，为未来生物医药应用开辟新的可能。

图1：Ec78系统的三维结构（a-d）及防御分子机制（e）

该研究成果于2025年12月7日在线发表于Nature Communications，论文标题为“Architecture and mechanism of a dual-enzyme retron system in prokaryotic immunity”。该成果受到了国家自然科学基金和中国科学院等项目的资助。

编辑：张柒柒