Cell Host & Microbe | 贾宁团队揭示细菌逆转录酶双重感知噬菌体入侵并重构毒素基因的抗病毒机制

逆转录酶（reverse transcriptase,RT）能够以RNA为模板合成DNA，是生命信息传递过程中一类重要的核酸聚合酶。近年来，大规模生物信息学研究发现，原核生物中广泛存在一类与抗噬菌体免疫相关的逆转录酶，被称为防御相关逆转录酶（defense-associated reverse transcriptases,DRTs）。然而，与经典逆转录酶相比，这些DRTs究竟如何感知噬菌体感染，以及其产生的DNA如何进一步转化为抗病毒效应，仍有许多机制尚未阐明。

前期，南方科技大学医学院生物化学系贾宁课题组在Science发表题为Bacterial reverse transcriptase synthesizes long poly(A)-rich cDNA for antiphage defense的研究论文（详见BioArt报道：）。该研究揭示了DRT9系统介导的一种独特“诱饵”免疫机制：噬菌体感染后，其编码的核糖核苷酸还原酶NrdAB引起宿主细胞内dATP水平升高，进而激活DRT9逆转录酶。活化后的DRT9以非编码RNA（ncRNA）为模板，合成长达数千个核苷酸的poly(A)-rich单链cDNA。这些长链DNA可以结合并“扣押”噬菌体复制所必需的单链DNA结合蛋白SSB，从而抑制噬菌体增殖。该工作揭示了逆转录产生的DNA可以不作为遗传信息载体，而直接作为分子“诱饵”执行抗病毒功能。

2026年9月2日，贾宁团队在Cell Host & Microbe在线发表题为Dual sensing activates antiviral reverse transcriptase for membrane targeting的研究论文。该研究聚焦防御相关逆转录酶DRT2，系统解析了其从噬菌体入侵感知、逆转录激活、毒素基因生成到膜损伤和细胞死亡的完整免疫通路。研究发现，细菌通过识别两类不同的噬菌体感染信号，激活DRT2将非编码RNA中的信息通过逆转录重构为新的毒素基因，并产生毒素蛋白破坏细胞膜，从而阻断噬菌体复制与传播。进一步地，研究团队利用鉴定到的DRT2激活信号和可编程ncRNA模板，将这一天然免疫系统改造为可合成用户定义DNA序列的分子工具。该工作揭示了细菌通过多重感染信号激活非常规逆转录，并在感染状态下将非编码RNA转化为新的蛋白编码信息，进而产生毒素蛋白、破坏细胞膜以执行抗病毒功能的免疫新机制，同时为开发可编程DNA合成工具提供了新的思路。

DRT2通过两条独立通路感知噬菌体感染

研究人员首先发现，DRT2并非依赖单一感染信号，而是能够感知噬菌体感染过程中产生的两类截然不同的分子变化 。

第一条通路来自噬菌体编码的单链DNA结合蛋白。通过噬菌体逃逸突变筛选，研究人员鉴定到噬菌体SSB和SSAP能够促进DRT2活化。进一步的生化实验表明，SSB/SSAP可以与DRT2复合物发生直接相互作用，并促进其持续进行DNA合成。

第二条通路则来自噬菌体对宿主核苷酸代谢的重塑。噬菌体为了快速复制自身基因组，会利用其编码的核糖核苷酸还原酶NrdAB提高细胞内dNTP水平。研究发现，其中dGTP水平升高能够直接激活DRT2。冷冻电镜结构进一步揭示，dGTP结合能够解除DRT2-associated ncRNA对逆转录酶的自抑制状态，从而启动DNA合成。

因此，DRT2实际上同时监测了噬菌体感染的两种典型特征：一方面识别噬菌体DNA复制过程中出现的SSB/SSAP蛋白，另一方面感知噬菌体为基因组复制而引发的核苷酸代谢变化。两条感知通路共同促进DRT2的充分活化，构成了一套双重感染感知机制。

感染激活逆转录，将非编码RNA“重构”为毒素基因

更为有趣的是，DRT2被激活之后产生的DNA并不是简单的逆转录拷贝。在未感染状态下，DRT2与其ncRNA形成稳定复合物，仅维持较低水平的DNA合成。当噬菌体感染触发DRT2活化后，DRT2以ncRNA为模板进行快速、连续的滚环式逆转录（rolling-circle reverse transcription），产生大量串联重复的双链concatemeric complementary DNA（ccDNA）。这种重复DNA的形成产生了一个非常特殊的结果：原本分散在ncRNA不同位置、并不能直接构成完整蛋白编码信息的序列，在重复单元连接后重新组合，形成完整的启动子以及一个连续的、无终止密码子的开放阅读框。换言之，DRT2通过滚环逆转录，在噬菌体感染后从一条非编码RNA中de novo产生了一个新的蛋白编码基因——neo。随后，这段新生成的DNA能够被转录和翻译，产生由多个重复单元组成的Neo蛋白。

这一过程建立了一条非常规的信息传递路径：

非编码RNA → 滚环逆转录 → 重复双链DNA → de novo毒素基因 → Neo蛋白。这一独特的基因生成方式也在张锋团队和Sam Sternberg团队开展的DRT2研究中同样被发现Science. 2024 Oct 4;386(6717):eadq3977；Science. 2024 Oct 4;386(6717):eadq0876），相关工作从不同角度共同揭示了DRT2非常规逆转录产生新生蛋白编码信息的现象。因此，在DRT2系统中，逆转录并非简单地复制已有遗传信息，而是在感染状态下通过DNA重复与序列重组，将原本的非编码信息重新组织为可表达的蛋白编码信息。在此基础上，本研究进一步解析了新生成的Neo蛋白如何发挥抗噬菌体效应。

Neo直接破坏细菌细胞膜，触发流产感染

那么，新生成的Neo蛋白如何阻止噬菌体复制？

研究人员发现，Neo是一种直接作用于细菌细胞膜的毒性蛋白。Neo表达后首先导致细胞膜去极化，随后引起膜通透性增加并最终造成不可逆的细胞死亡。时间序列实验进一步显示，早期膜去极化在一定程度上具有可逆性，而随着膜完整性进一步受损，细胞则进入不可逆的死亡状态。

为了确定Neo是否能够直接作用于脂质膜，而非依赖其他宿主因子，研究人员进一步建立了体外脂质体体系。纯化的Neo融合蛋白能够直接诱导脂质体内容物释放，证明Neo本身即具有直接破坏脂质膜的能力 。

因此，DRT2最终采取的是一种典型的“流产感染”（abortive infection）策略：当细菌确认噬菌体感染后，DRT2启动逆转录并生成neo基因，随后产生膜靶向毒素Neo，使被感染细胞主动停止生长并死亡，从而阻止噬菌体完成复制和释放，以个体细胞的牺牲保护周围细菌群体。

从天然免疫系统到可编程DNA合成工具

在解析这一机制的基础上，研究团队进一步提出了一个问题：既然DRT2能够通过滚环逆转录将ncRNA中的模板信息转化为新的双链DNA，那么是否可以人为改变这段模板，使DRT2合成研究人员指定的DNA序列？

研究发现，DRT2 ncRNA中的模板区域具有可编程性。通过替换其中的编码序列，并利用本研究鉴定的DRT2激活信号，可以驱动DRT2合成携带外源、人工设计序列的重复双链DNA 。这意味着，DRT2不仅是一套天然的细菌抗病毒免疫系统，也提供了一种潜在的、由感染信号或特定分子信号触发的DNA合成框架。未来，通过进一步改造其模板识别、激活方式以及DNA产物长度和组成，可能发展出新的可编程DNA合成工具。

从“DNA诱饵”到“感染诱导的基因生成”

结合此前对DRT9的研究（Science, 2025, 388: eads4639），这两项工作揭示了防御相关逆转录酶利用DNA执行抗病毒免疫的两种截然不同的方式。

在DRT9系统中，逆转录产生的长链poly(A) DNA本身就是免疫效应分子，通过充当“诱饵”扣押噬菌体SSB蛋白；而在DRT2系统中，逆转录产生的DNA进一步成为新的遗传信息载体——通过滚环逆转录和重复序列连接，从非编码RNA中重构出一个此前并不存在的毒素基因，并最终产生膜靶向效应蛋白。

更重要的是，DRT2能够同时感知噬菌体蛋白和核苷酸代谢变化，并将这些感染信号转化为一条“逆转录—基因生成—毒素表达—细胞死亡”的免疫通路。该研究不仅揭示了细菌利用逆转录酶抵抗噬菌体感染的新机制，也进一步拓展了人们对于核酸功能和遗传信息传递方式的认识：在特定生理状态下，非编码RNA中的信息可以通过逆转录被重新组织，形成新的蛋白编码信息并直接决定细胞命运。

该研究为理解细菌与噬菌体长期进化博弈中形成的非常规信息传递机制提供了新的视角，同时也为开发基于防御相关逆转录酶的可编程DNA合成工具提供了新的理论基础。

南方科技大学医学院稳态医学研究院生物化学系研究助理教授夏玉山，博士生漆华、魏新洋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免疫与噬菌体互作机制研究，近年来以通讯作者揭示多种细菌免疫系统防御噬菌体以及噬菌体反防御的分子机制（Science, 2025a, 2025b, 2020; Cell Host & Microbe, 2026; Nature Chemical Biology, 2024; Molecular Cell, 2023, 2019a, 2019b, 2019c;等）。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）。

https://www.cell.com/cell-host-microbe/abstract/S1931-3128(26)00326-4

制版人： 十一

学术合作组织

（*排名不分先后）

战略合作伙伴

（*排名不分先后）

推荐直播

转载须知

【非原创文章】本文著作权归文章作者所有，欢迎个人转发分享，未经作者的允许禁止转载，作者拥有所有法定权利，违者必究。

BioArt

Med

Plants

人才招聘

点击主页推荐活动

关注更多最新活动！