Science |?中心法則需修訂？首個以蛋白質為模板進行DNA合成的逆轉錄酶

生命的藍圖如何代代相傳？中心法則為我們描繪了遺傳信息從 DNA 到 RNA 再到蛋白質的經典路徑。隨后，逆轉錄酶（RT）和RNA依賴的RNA聚合酶（RdRp）的發現，打破了信息單向流動的 傳統認知 。然而，在這些已知的生命過程中，一個共同的 ‘ 規則 ’ 似乎從未被打破：所有序列特異性的聚合酶，都必須依賴一條核酸（ DNA 或 RNA ）作為合成的模板。那么，一個更大膽的問題隨之而來：生命世界中是否存在 “ 例外 ” ？有沒有一種聚合酶，可以完全擺脫對核酸模板的依賴，直接以蛋白質為模板來合成DNA？換言之，蛋白質蘊含的化學信息，能否直接被 ‘ 翻譯 ’ 回 DNA 的遺傳密碼中？這需要一種前所未見、真正意義上的 “ 蛋白質依賴的 DNA 聚合酶 ” 。

2026 年 4 月 16 日，來自斯坦福大學的Alex Gao課題組在 Scienc e 上發表了題為 Protein-templated synthesis of dinucleotide repeat DNA by an anti-phage reverse transcriptase 的研究論文。該研究首次發現并闡明了一種細菌逆轉錄酶Drt3b，它無需核酸模板，而是利用自身氨基酸側鏈作為“模具”，精確合成特定序列的DNA。這一發現，是自 1970 年諾獎得主 David Baltimore 等人發現逆轉錄酶以來， 對生命信息傳遞基本規則的又一次 標志 性突破 ，不僅填補了生物信息傳遞的關鍵 拼圖 ，也為我們理解生命的編碼規則開辟了新 的 維度。

該研究始于一個獨特的細菌防御系統 ——DRT3（ Defense-associated Reverse Transcriptase 3 ）。它由兩個來自不同分支的逆轉錄酶 ——Drt3a 和 Drt3b ，以及一個非編碼 RNA （ ncRNA ）構成。研究團隊證實，當 DRT3 在細菌（如 E. coli ）中表達時，能夠高效抵御多種噬菌體的 入侵 。通過對表達 DRT3 的細菌進行 non-stranded 雙鏈 DNA （ dsDNA ）測序分析，他們發現細胞內會自主產生大量由 poly(GT/AC) 交替重復序列組成的 dsDNA ，且這一過程無需噬菌體感染即可發生（圖1）。體外生化實驗進一步證實，純化的 DRT3 復合物 確實能夠合成這種 特異 的 dsDNA 。其中， Drt3a 負責產生單鏈 poly(GT) DNA ，而 Drt3b 則負責合成互補的 poly(AC) 單鏈，并共價連接到自身蛋白上(圖1)。

為了揭示這一精妙的合成機制，研究團隊利用冷凍電鏡技術，成功解析了 DRT3 復合物在 “ 靜息（ Resting ） ” 和 “ 延伸（ Elongating ） ” 兩種狀態下的高分辨率（ 2.6 ? ）結構。結構顯示， DRT3 形成了一個具有 D3 對稱性的 6:6:6 復合物，即由 6 個 Drt3a 、 6 個 Drt3b 和 6 個 ncRNA 分子組成。整個結構形似一個由兩個三聚體 “ 背靠背 ” 組成的六聚體核心（圖1）。

圖 1. DRT3 系統 能自主合成 poly(GT/AC) 雙鏈 DNA . 圖注 : (A) DRT3 系統 抗噬菌體活性 測試。 (B-D) 體內及體外合成的 poly(GT/AC) dsDNA 產物的測序與凝膠分析。 (E) DRT3 六 聚體復合物的冷凍電鏡結構。

精細的結構分析 清晰地揭示 了兩個 RT 協同工作的分子基礎。 Drt3a 的機制相對 “ 傳統 ” ，它像端粒酶一樣，以 ncRNA 上一段保守的 ACACAC 序列為模板，指導 poly(GT) DNA 鏈的合成（圖2）。 與之相比，Drt3b的機制則截然不同。結構清晰地顯示，在Drt3b的活性中心，雖然有一條正在合成的poly(AC) DNA鏈，但完全不存在任何核酸模板，其模板結合通道也被自身結構物理性地阻塞。那么， Drt3b 是如何在無模板的情況下精確合成 poly(AC) 序列的呢？答案在于其活性位點的氨基酸殘基直接構成了 “ 蛋白質模板 ” 。

研究團隊通過結構解析發現，Glu26和Arg253這兩個關鍵殘基，通過一套協同的、交替的識別機制，保證了AC序列的精確合成（圖2）。具體而言， Glu26 通過與 dATP (dA18) 形成特異性氫鍵，負責在摻入位點選擇 dATP 。同時， Arg253 通過陽離子 -π 相互作用進一步增強了對 dATP 的親和力。與此同時， Arg253 與 Glu26 協同，通過與前一個已摻入的 dC1 7 堿基形成穩固的氫鍵，并結合空間位阻效應，確保了 AC 序列中 C 位置的保真度。

圖 2. DRT3 復合物的 DNA 合成機制：經典的 ncRNA 模板與顛覆性的蛋白質模板

這兩個保守的氨基酸殘基通過一系列精妙的氫鍵識別和空間位阻，共同構筑了一個蛋白質 “ 模具 ” 。通過定點突變實驗（如 E26A ），研究團隊也證實了這些殘基對于維持合成效率和序列保真度的決定性作用。

這是首次從結構上完整闡明長鏈、序列特異性DNA的蛋白質模板合成機制。它有力地表明，蛋白質的功能遠不止于催化和構成結構:其自身的氨基酸序列和三維構象，本身就蘊含著可被解讀的潛在“遺傳信息”，并將其寫入DNA。此外，研究還發現， DRT3 系統通過識別噬菌體編碼的 ST61 蛋白來激活其抗病毒防御反應（圖3）。

圖 3 . DRT3 系統的抗噬菌體分子機制模型

本研究揭示了 DRT3 作為一個精密細菌防御武器的內在機制。其內部包含兩個分工明確的逆轉錄酶： Drt3a 遵循以 RNA 為模板的傳統路徑，而 Drt3b 則開創了以蛋白質為模板的 新模式 。二者協同合成 dsDNA ，共同實現抗噬菌體功能。

Drt3b 的發現，是分子生物學研究中的一項重要突破，極大地拓展了該領域的認知邊界 。 它與此前已知的、僅限于極短產物的蛋白質模板合成（如 tRNA 的 CCA 尾添加或 Rev1 聚合酶添加單個 C 堿基）有本質不同： Drt3b 能夠合成數千堿基長的、序列高度特異的 DNA 。 即使 與功能上相似的 RDE-3 相比， Drt3b 在機制上也更為獨特，它利用 RT 的結構框架，卻完全以蛋白質側鏈實現了核酸模板的功能。

這一發現不僅極大地拓展了我們對核酸聚合酶功能多樣性的認知，也為“蛋白質→DNA”這一全新的生物信息傳遞路徑提供了結構和生化證據。這項工作為理解生命的演化、探索全新的基因編輯和信息存儲工具開辟了無限的想象空間。

斯坦福大學生物化學系 Alex Gao 助理教授為 本文 通訊作者。 博士后鄧 譜涓、 Hyunbin Lee 與 博士生 Carlo Armijo 為該研究的共同第一作者。斯坦福大學 Sarafan ChEM -H Cryo-EM 助理主任王淏清博士 也對該研究做出了重要貢獻 。

10.1126/science.aed1656