Vita | 施一公团队发现植物蛋白可直接“从头合成”RNA

RNA是生命活动中一类十分重要的分子。它不仅负责传递遗传信息，还参与基因调控、蛋白质合成和多种细胞反应。无论功能怎样变化，RNA在化学结构上都有一个共同特点：它由A、U、C、G四种核苷酸连接而成。细胞把核苷酸连接成RNA，常见的方式有两类：一是由RNA聚合酶读取核酸模板（DNA或RNA），按照模板顺序合成新的RNA；另一类酶不需要模板，但要以已有RNA为起点，在其末端继续添加核苷酸。

那么，如果既不给蛋白提供可供读取的模板，也不给它一条现成的RNA引物作为起点，只提供四种游离核苷酸，它还能不能从第一个化学键开始，自行合成一条RNA呢？

2026年10月20日，西湖大学生命科学学院施一公教授、占谢超副研究员团队在Vita发表研究论文De novo RNA synthesis from free nucleotides by a family of conserved plant proteins，报道了水稻蛋白OsNTP4的一项此前未被认识的活性：在体外实验中，它能以四种游离核苷酸为底物，在未额外加入核酸模板或引物的条件下合成RNA。研究人员还在另一种水稻蛋白OsNTP10和拟南芥蛋白AtURT1中观察到了类似活性。

从蛋白结构出发，寻找线索

研究的起点是一次蛋白质结构搜索。研究团队以人源cGAS蛋白的催化结构域为参照，在水稻、拟南芥和玉米的AlphaFold预测结构数据库中寻找结构相似、但序列同源性低的蛋白。初步搜索得到了266个候选蛋白；经过结构相似性和催化位点筛选，范围缩小至19个保留了相应三个催化氨基酸的植物蛋白。

研究人员选择其中的水稻蛋白OsNTP4作进一步检验。它的AlphaFold预测结构显示，尽管OsNTP4与人源cGAS的氨基酸序列差异很大，它们的催化中心却呈现出明显的结构相似性，几个可能参与催化的关键酸性氨基酸也处在相近位置。不过，结构相似只是线索；OsNTP4究竟能催化什么反应，还需要实验回答。

OsNTP4将游离核苷酸连成RNA

研究团队将纯化的OsNTP4蛋白与四种合成RNA的基本核苷酸（ATP、GTP、CTP、UTP）混合孵育。色谱分析显示，加入OsNTP4后，部分底物减少，同时出现了新的产物。进一步的凝胶电泳表明，产物是一组长短不一的链状分子，主要长度分布为50–300个核苷酸。将OsNTP4催化位点中的三个催化氨基酸分别突变后，合成活性消失，说明这三个氨基酸对反应至关重要。

产物的化学身份也需要确认。以ATP、UTP或CTP为原料得到的产物可被 RNA消化酶消化；核磁共振（NMR）分析进一步显示，这三类产物相邻核糖之间通过标准的3′-5′磷酸二酯键连接——这是天然RNA的标志性化学键。以GTP为唯一原料时，产物较少、链也较短，多数可被 RNA消化酶降解。这些实验表明，OsNTP4蛋白合成的产物与细胞中的天然RNA是一样的。

排除污染，活性确实来自OsNTP4

观察到RNA产物后，还必须回答一个关键问题：从头合成RNA的真是OsNTP4，还是蛋白样品中混入了核苷酸、短RNA或其他酶？为了排除这些可能，研究团队从三个方面进行了验证。

第一，研究人员利用质谱检查纯化后的OsNTP4。测得的蛋白分子量与理论值一致，也没有发现与蛋白结合的其他可疑小分子。

第二，研究人员用蛋白酶K将OsNTP4完全分解。如果样品中夹带了游离核苷酸或短RNA，它们在蛋白被分解后仍应能够被检测到，但实验并未发现这些物质。

第三，研究人员将OsNTP4制成蛋白晶体。结晶和反复洗涤可以进一步减少样品中的可溶性杂质。将洗涤后的晶体溶解并用于反应，仍然能够合成长链RNA；而来自同一结晶液、没有形成晶体的部分则没有表现出这种活性。

这三组实验从不同角度排除了残留核苷酸、核酸或其他酶造成实验假象的可能，表明不依赖模板和引物的RNA合成活性确实来自OsNTP4本身。

这种能力并非OsNTP4独有

确认OsNTP4的活性后，研究人员进一步追问：它是一个特殊的个例，还是代表了一类具有相似能力的植物蛋白？

实验发现，与OsNTP4亲缘关系较近的水稻蛋白OsNTP10和拟南芥蛋白AtURT1（又称AtNTP3），在体外同样能够从游离核苷酸开始合成RNA。其中，AtURT1过去被认为主要负责在已有RNA的3′端添加尿苷（U）。新的实验结果表明，它不仅能够延长已有RNA，在没有模板和RNA引物的情况下，也能从游离核苷酸开始合成RNA。

研究人员共分析了来自水稻、拟南芥和玉米的47种相关蛋白。根据它们的进化关系，OsNTP4、OsNTP10和AtURT1被归入一个包含五种蛋白的分支。这些蛋白具有相似的催化核心，但目前只有上述三种经过了实验检验。这个分支中的另外两种蛋白是否也具有相同活性，还需要进一步验证。

这些结果提示，不依赖模板和引物合成RNA的能力可能并非OsNTP4独有。至少部分家族成员可能既能在已有RNA的末端添加核苷酸，也能直接从游离核苷酸开始合成RNA。不过，目前的证据主要来自体外实验。这些蛋白在植物细胞中是否也会合成RNA，以及生成的RNA承担什么功能，仍然是未知的。

图2: 植物蛋白“从头合成”RNA的总结概览图

这项研究扩展了人们对植物核苷酸转移酶催化能力的认识，同时也带来了许多新的问题。

例如，在没有模板和引物的情况下，OsNTP4如何把最初两个核苷酸连接起来？它为什么更容易利用某些核苷酸？RNA链的长度由什么决定，合成过程又会在什么时候停止？在植物细胞中，这些蛋白是否真的会启动这种反应，产生的RNA具有怎样的序列和功能，又受到哪些因素调控？

回答这些问题，将有助于判断这种在体外观察到的活性，是否对应着植物细胞中一种尚未被认识的RNA合成机制。

西湖大学生命科学学院博士后李若楠和博士生于长增为论文的共同第一作者，博士生栗铭悦和本科生顾凌菘参与该项研究；占谢超副研究员和施一公教授为本文共同通讯作者。

https://www.vita-journal.com/vita/EN/10.15302/vita.2026.10.0078