斯坦福大学 · Science 2026

"无模板"造DNA！Science重磅发现：细菌用蛋白质当"模具"合成序列特异性的双链DNA

Protein-templated synthesis of dinucleotide repeat DNA by an antiphage reverse transcriptase

来源：Science  |  DOI: 10.1126/science.aed1656  |  2026年4月16日在线发表作者：Deng Pujuan · Lee Hyunbin · Armijo Carlo · Wang Haoqing · Gao Alex（斯坦福大学）

引言

DNA合成，几十年来被认为必须"照着模板抄"——就像复印机一样，没有模板就什么也造不出来。

然而，2026年4月发表于 Science 的一项研究颠覆了这个常识。

来自斯坦福大学 Alex Gao 实验室的 Deng、Lee、Armijo 等人发现，细菌中一种名为 DRT3 的抗噬菌体防御系统，可以完全不依赖核酸模板，由蛋白质直接"手把手"合成出序列高度特异的双链DNA。

这一发现不仅揭示了自然界中前所未有的一种DNA合成机制，也为理解生命如何对抗病毒提供了全新视角。

一、背景：核酸聚合酶的两大类

要理解这项研究的突破，先要搞清楚核酸聚合酶的基本分类。

传统的核酸聚合酶分为两大类：

• 模板指导的聚合酶
  ：按照已有核酸模板的序列来合成新产品，比如 DNA 聚合酶按照 DNA 模板链合成新的 DNA 复制子。人类细胞分裂、噬菌体复制，都靠这个机制。
• 非模板依赖的聚合酶
  ：不依赖模板，但产物往往是高度重复的同聚物（homopolymer，如 poly(A)、poly(dA)），或仅有极短的固定序列（如 tRNA 末端的 CCA）。

例外很少。已知的非模板依赖合成案例中，产物要么是"单调重复"的长链（如 poly(A)），要么只能合成几个核苷酸的短序列（如 CCA）。

而这项新研究发现的 DRT3 系统，既不需要模板，又能合成长达数千碱基的、序列高度特异的双链DNA。这在自然界中从未被观察到。

二、DRT3 系统：细菌的"双酶抗噬菌体武器"

2.1 系统组成

DRT3（Defense-Associated Reverse Transcriptase 3）是一个由两种不同来源的逆转录酶和一个非编码RNA（ncRNA）组成的复合体：

2.2 抗噬菌体功能

在大肠杆菌中表达 DRT3 系统，可赋予宿主对噬菌体 T1、T4 和 T5 的强抗性。关键发现：只有同时保留 Drt3a、Drt3b 和 ncRNA 三者，防御功能才完整——敲除任何一个组分，细菌就失去了抵抗力。

研究人员还发现，噬菌体 T1 需要其编码的 ST61 蛋白来激活 DRT3 的防御功能。这说明 DRT3 系统平时处于"休眠"状态，只有在感知到噬菌体感染时才被激活——这与哺乳动物 cGAS-STING 先天免疫通路有些相似。

三、核心发现一：Drt3a——像端粒酶一样的RNA模板聚合酶

Drt3a 的工作方式相对容易理解——它是一个类端粒酶（telomerase-like）的 RNA 模板聚合酶。

3.1 机制

• ncRNA 包含一个保守的 ACACAC 序列基序，被 ncRNA 的两个发夹结构（SL1 和 SL4）牢牢"夹住"，定位于 Drt3a 的活性位点。
• 其中 A108 作为模板碱基，指导每次添加 T（胸腺嘧啶）；完整的 ncRNA 模板（ACACAC）引导合成 TGTGT…… 的互补链，即 poly(GT) 序列。
• 合成的 cDNA 产物与 ncRNA 形成短暂的 RNA-DNA 双链，随即被 Drt3a 拇指结构域的一个独特 β-hairpin "拉链头"（类似端粒酶的 TH 结构域）从模板上解离。

3.2 关键证据

• ncRNA 中 A108G（GCACAC）或 C109T（ATACAC）突变：完全消除了 DNA 合成，也导致细菌失去抗噬菌体能力。
• Drt3a 的 YVDD motif（Tyr343、Tyr195）稳定产物链的 n-2 和 n-1 位，与端粒酶的机制高度相似。

四、核心发现二：Drt3b——无需任何核酸模板的蛋白质模板聚合酶

这是整篇论文最震撼的部分。

4.1 惊人的事实

Drt3b 在完全不存在任何核酸模板的情况下，合成了序列精确的 poly(AC) 双链 DNA。

更不可思议的是：poly(AC) 恰好与 Drt3a 合成的 poly(GT) 互补——两条单链自动配对，形成完美的双链 DNA。

4.2 结构基础：为什么 Drt3b 无法结合模板？

Cryo-EM 结构（2.6 Å 分辨率）揭示了 DRT3 的整体组装——它形成了一个 D3 对称的六聚体，由两个"三聚体夹心"结构堆叠而成（6:6:6 = Drt3a : Drt3b : ncRNA）。

在这个结构中，Drt3b 的模板结合通道被完全物理性阻断：

1. C末端（645-650位残基）
   堵住了模板进入通道；
2. 一个 Drt3b 特有的扩展环（112-169位）
   像楔子一样将C末端固定在位；
3. N末端的保守 Glu26
   占据了模板碱基本应占据的空间。

因此，Drt3b 根本没有任何"看到"模板的可能性。

4.3 蛋白质直接当模板：精确碱基选择的分子机制

既然没有模板，poly(AC) 的精确序列是如何保证的呢？Cryo-EM 结构显示，Drt3b 的活性位点中，6个连续的新生 cDNA 碱基（dC13 到 dA18）与蛋白质侧链形成了大量直接接触：

关键机制：Glu26 扮演"蛋白质模板碱基"的角色。

• Glu26 的侧链羧基伸入核苷酸结合口袋，通过两个氢键与 dATP 的 N6 氨基相互作用，从而选择性识别 dATP，排斥 dGTP 和 dTTP。
• 虽然 dCTP 也有 exocyclic amine（N4），但其较小的嘧啶环无法同时与 Glu26 和 Arg253 形成正确取向的氢键。
• dC17 的选择
  依赖于 Arg253 与前一个碱基 dC17 的 Watson-Crick 边缘形成三个氢键，同时嘌呤（dA/dG）因为体积太大无法容纳进 Thr335/Thr338 的口袋。

简言之：Drt3b 用一套精密的蛋白质表面化学，直接"手把手"排列每一个碱基——蛋白质本身就是模板。

4.4 Tyr650 引发：蛋白质引发的 DNA 合成

另一个独特之处：Drt3b 以 Tyr650 的羟基作为引发基团，启动 DNA 合成（蛋白质引发机制）。

• Tyr650（及其在同源物中常见的 Ser）高度保守；
• Y650F 突变
  完全消除了 dNTP 依赖的分子量变化，说明没有 Tyr650，就无法启动合成；
• Tyr650 的突变也完全消除了抗噬菌体功能——证明了 Tyr650 引发是 DRT3 功能不可或缺的一环。

五、整体工作机制

综合所有数据，DRT3 的完整工作流程如下：

1. 组装：
   Drt3a、Drt3b 和 ncRNA 自发组装成 D3 对称的六聚体 RNP 复合物。
2. Drt3a 合成 poly(GT)：
   以 ncRNA 的 ACACAC 序列为模板，合成 poly(GT) 单链 DNA（类似端粒酶）。
3. Drt3b 合成 poly(AC)：
   完全不依赖模板，由 Glu26 和 Arg253 等活性位点残基"蛋白质模板"控制，精确合成与 poly(GT) 互补的 poly(AC) 单链 DNA。
4. 两条链自动配对：
   poly(GT) 和 poly(AC) 通过标准的 Watson-Crick 碱基配对，自发形成双链 DNA。
5. 抗噬菌体效应：
   该双链 DNA 产物（可能形成高级网络结构或非B型构象）干扰噬菌体 DNA 复制或转录，赋予细菌抗噬菌体免疫。

六、科学意义与启示

6.1 扩展了核酸聚合酶的功能版图

在中心法则之外，DRT3 展示了第四种信息传递模式：

蛋白质 → 序列特异的核酸（无需模板）

这与传统的"DNA→DNA"、"RNA→DNA"、"RNA→RNA"均有本质区别。

6.2 Drt3b 的进化意义

值得注意的是，同属 Class 1 UG 逆转录酶的 AbiK 虽然也使用 Tyr 引发机制，但其产物是随机序列的 DNA，不具有序列特异性。

这说明在进化历程中，DRT3 获得了 Drt3b 中一套全新的残基（Glu26、Arg253 等），从而将"无模板但随机"的聚合能力，升级为"无模板但精确"的聚合能力——这是 RT 超家族功能分化的一个里程碑式案例。

6.3 应用前景

• 合成生物学：
  利用蛋白质直接编码序列信息，绕过传统的模板限制，开发新型 DNA 合成路线。
• 抗感染研究：
  理解细菌如何利用重复序列 DNA 对抗噬菌体，为噬菌体疗法提供新靶点。
• 酶工程：
  Drt3b 的活性位点高度特化（"无法轻易重编程"），这既是科学发现，也是对蛋白质-核酸互作复杂性的新认识。

七、结论

DRT3 系统代表了自然界中一种前所未知的 DNA 合成策略：

Drt3a → RNA模板指导的端粒酶样机制，合成 poly(GT)

Drt3b → 蛋白质模板（无需核酸模板），精确合成 poly(AC)

两条互补链自动配对 → 形成序列精确的双链 DNA → 赋予细菌抗噬菌体免疫

这一发现深刻扩展了我们对核酸聚合酶功能和生物信息传递机制的认知，表明蛋白质的化学多样性可以完全替代核酸模板，实现序列信息的人工编码。

参考文献

Deng P, Lee H, Armijo C, Wang H, Gao A. Protein-templated synthesis of dinucleotide repeat DNA by an antiphage reverse transcriptase.Science. 2026. DOI: 10.1126/science.aed1656

📌 本文基于 2026 年 4 月 16 日发表于 Science 的原始研究论文撰写，供科研传播与学术交流使用。