夜雨聆风
RNA-DNA 杂交体是细胞内最普遍、几乎无处不在的内源性核酸结构之一，可在所有生物体中引发基因组不稳定性。尽管其对基因组完整性的危害已有大量报道，但 RNA-DNA 杂交体在 DNA 合成起始和转录过程中 mRNA 的生成中同样不可或缺。此外，在亚优条件下，它们还参与 DNA 修复并调控基因表达。
当 RNA-DNA 杂交体不能被及时解离时，会成为从细菌到人类多种生物中基因组不稳定性的驱动因素，并与癌症及神经系统疾病的发生密切相关。RNA 中 2′-羟基的化学特性使其能够切割邻近 DNA 的磷酸二酯键，从而诱发 DNA 链断裂。持续存在的杂交体还会阻碍 DNA 复制，引起复制叉停滞、激活 DNA 损伤应答，并导致高频重组和染色体重排，严重威胁细胞存活与基因组稳定性。
大量研究表明，从细菌到真核生物的复制性 DNA 聚合酶都会错误地将核糖核苷酸（rNMPs）掺入 DNA 中。这种“糖基错误”是基因组中 RNA-DNA 杂交体的重要来源：在每一轮复制中，细菌可掺入数千个 rNMPs，而哺乳动物细胞甚至超过百万个。
若这些 rNMPs 残留在模板链中，会显著减缓或阻滞复制性 DNA 聚合酶的延伸，包括细菌 Pol III 和真核生物 Pol δ。除单个 rNMP 外，连续多个 rNMPs 也可能被掺入基因组，例如由跨损伤 DNA 聚合酶产生的 R 片段，或由转录过程中形成的 R 环整合而成的 RNA 片段。这些 RNA 片段对 DNA 复制构成严重障碍。
如果这些嵌入的 RNA 不能被及时修复，细胞可能需要依赖逆转录酶，以 RNA 为模板合成 DNA，否则复制叉将停滞并最终崩溃，激活 DNA 损伤应答并引发突变，危及基因组完整性。
A 家族 DNA 聚合酶广泛存在于细菌、病毒和真核生物中，其经典代表是大肠杆菌 DNA 聚合酶 I（Pol I）。该酶除 DNA 合成活性外，还具有 5′→3′ 核酸外切酶和 3′→5′ 校对外切酶活性，从而实现高保真 DNA 合成。
值得注意的是，缺失 3′→5′ 校对活性的 Pol I Klenow 片段可表现出逆转录酶活性。类似地，真核生物 Pol θ 作为另一种 A 家族聚合酶，其校对结构域失活，具有高度易错性，并能催化以 RNA 为模板的 DNA 修复。这些发现提示：校对功能失活的 A 家族 DNA 聚合酶可能普遍具备内在的逆转录酶活性。
长期以来，大肠杆菌 Pol I 一直被视为细菌 Pol I 的模型。然而，与革兰氏阴性菌不同，许多革兰氏阳性菌进化出缺乏 3′→5′ 校对活性的 Pol I，这是由于阻碍 Mg²⁺ 配位的突变所致。这种“残留但失活”的校对结构域与真核 Pol θ 的特征高度相似。
基于此，发表于bioRxiv的一篇论文（原文标题：DNA polymerase I is an efficient reverse transcriptase that mediates RNA-templated DNA repair synthesis），文章提出假设：革兰氏阳性菌的 Pol I 可能具备内在的逆转录酶活性，从而在基因组中存在嵌入 RNA 时，催化以 RNA 为模板的 DNA 修复。
核心发现
该研究系统分析了含核糖核苷酸模板对枯草芽孢杆菌 A 家族与 C 家族 DNA 聚合酶的影响。结果显示：
模板中 RNA 的存在会迅速阻滞复制性 C 家族聚合酶 PolC 和 DnaE 的合成；
相比之下，枯草芽孢杆菌 Pol I（BsPol I）表现出强大的逆转录酶活性，能够以 RNA 为模板高效合成 DNA；
Pol I 能跨越连续核糖核苷酸片段，提示其在复制性聚合酶受阻时可接管合成任务；
多种细菌 Pol I 同源物同样具有不同程度的逆转录酶活性；
在缺乏 Pol I 的情况下，DNA 中 rNMP 的掺入会显著加剧基因组不稳定性。
BsPol I 缺失使细胞对核糖核苷酸掺入高度敏感
为验证 Pol I 在体内应对 RNA-DNA 杂交体的作用，作者使用羟基脲（HU）诱导核糖核苷酸还原酶抑制，从而增加 rNMP 和 R 片段的形成（图 1A）。结果显示：
ΔpolA 菌株在 10 mM HU 下生长明显受抑（图 1B）；
缺失 RNase HIII（ΔrnhC）的菌株表现出更严重的 HU 敏感性；
同时缺失 Pol I 和 RNase HIII 的菌株对复制应激最为敏感。
Figure 1. The absence of BsPol I sensitizes cells to ribonucleotide incorporation.
这些结果表明，Pol I 在体内应对 RNA-DNA 杂交体、维持复制稳定性中发挥关键作用。
枯草芽孢杆菌 Pol I 是高效逆转录酶
在体外生化实验中，作者比较了 Pol I、PolC、DnaE 与经典逆转录酶 M-MuLV RT 的活性。结果显示：
三种聚合酶在 DNA 模板上均能高效延伸（图 2A、2B）；
当模板完全由 RNA 构成时，只有 Pol I 能在不同缓冲条件下完全跨越 RNA 模板，生成与 RT 对照相同的产物（图 2C–F）；
PolC 仅产生中间产物，DnaE 则几乎完全受阻。
Figure 2. BsPol I can use RNA as a synthesis template.
这些结果明确表明，BsPol I 具有稳定而本征的逆转录酶活性。
Pol I 的逆转录功能在细菌中高度保守
作者进一步分析了多种细菌 Pol I，发现具有 RT 活性的 Pol I 多数缺乏完整的 DEDD 校对基序。在来自大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、李斯特菌和分枝杆菌的 Pol I 中：
所有蛋白在 DNA 模板上均具备聚合酶活性（图 3A、3B）；
在 RNA 模板上，其 RT 活性存在差异，但在优化的 RT 缓冲液中均可生成全长产物（图 3C–F）；
BsPol I 和 SaPol I 表现最为高效，而 EcPol I 活性相对较弱（图 3C、3D）。
Figure 3. RNA-templated DNA repair is conserved in bacterial Pol I enzymes.
Pol I 可跨越嵌入的核糖核苷酸片段
在模拟体内复制障碍的实验中，作者构建了含不同长度 rNMP 片段的模板（图 4A）。结果显示：
BsPol I 和 EcPol I 能跨越多达 15 个连续 rNMPs，生成全长产物（图 4B）；
随着 rNMP 数量增加，中间产物增多，提示效率下降；
其他 Pol I 同源物跨越能力较弱，但仍可耐受短 rNMP 片段（图 4C）；
复制性聚合酶 PolC 在超过 1 个 rNMP 时几乎完全停滞（图 4D、4E）；
DnaE 可跨越 1–5 个 rNMP，但更长片段同样导致合成阻断（图 4D）。
Figure 4. Pol I can traverse embedded ribonucleotides.
2025
总结
本研究系统证明：细菌 Pol I 是一种被长期低估的逆转录酶。当基因组 DNA 中嵌入核糖核苷酸或 RNA 片段、复制性聚合酶受阻时，Pol I 能以 RNA 为模板完成 DNA 合成，帮助复制叉继续前进。这一机制在多种细菌中高度保守，对维持基因组稳定性至关重要。
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原文阅读：https://doi.org/10.64898/2025.12.22.696026
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