2026年春季学期第3次Journal Club

2026年5月17日，清华学堂生命科学实验班2026年春季学期第3次JC（Journal Club）在清华学堂顺利举行。本次讨论的文章于2026年6月发表于《Science》，第一作者为Pujuan Deng、Hyunbin Lee和Carlo Armijo，通讯作者为Alex Gao，标题为：《Protein-templated synthesis of dinucleotide repeat DNA by an antiphage reverse transcriptase》（噬菌体防御相关逆转录酶介导的蛋白质模板化二核苷酸重复DNA合成）。主讲人为三字班同学曾作为、胡刘钰滨、李昂城、吕宜时、袁嘉惠、赵宗棋，指导教师为杨扬老师。

该研究聚焦细菌抗噬菌体防御系统中的防御相关逆转录酶DRT3，揭示了一种不同于经典核酸模板复制的新型DNA合成机制。研究发现，DRT3能够组装成由Drt3a、Drt3b和非编码RNA共同构成的核糖核蛋白复合体，并合成交替排列的poly(GT/AC)双链DNA。其中，Drt3a利用非编码RNA中的保守ACACAC序列作为模板合成poly(GT)链，而Drt3b则在完全缺乏核酸模板的情况下，通过蛋白质活性位点中特定氨基酸残基的识别与限制，合成互补的poly(AC)链。

核酸聚合酶通常依赖已有的DNA或RNA序列作为模板进行复制或逆转录，而模板非依赖型聚合酶往往只能产生低复杂度或较短的产物。本研究的创新之处在于，它展示了一个蛋白质活性位点本身可以承担“模板”的功能，精确指导长片段、序列特异性的DNA合成。这一发现不仅拓展了人们对逆转录酶功能多样性的认识，也为理解生物体系中信息传递和核酸合成方式提供了新的视角。

为了阐明DRT3的作用机制，研究团队结合了噬菌体感染实验、体外生化重构、测序分析和冷冻电镜结构解析等多种方法。实验表明，DRT3系统能够帮助大肠杆菌抵抗T1、T4和T5等噬菌体感染，且这一防御功能依赖Drt3a、Drt3b两个逆转录酶活性位点以及非编码RNA。进一步的体外实验显示，Drt3a和Drt3b分别合成两条互补的单链DNA，随后形成具有二核苷酸重复特征的双链DNA产物。

冷冻电镜结构解析进一步揭示了这一复合体的精细构象。DRT3形成具有D3对称性的6:6:6复合物，每个基本单元包含一份Drt3a、一份Drt3b和一份非编码RNA。Drt3a的作用方式类似端粒酶，通过RNA模板指导DNA延伸；而Drt3b的模板结合通道被其自身结构元件阻挡，无法容纳常规核酸模板。相反，Drt3b通过Glu26、Arg253等保守残基与新生DNA链中的碱基形成特异性相互作用，从而像“蛋白质模板”一样控制dA和dC的交替掺入。

此外，研究还发现噬菌体T1中的ST61蛋白是触发DRT3防御反应的重要因素。逃逸突变体分析显示，能够逃避DRT3防御的噬菌体均在ST61基因中发生了失活突变；而在细菌中共同表达ST61和DRT3会产生明显毒性，提示DRT3可能通过感知特定噬菌体因子并启动异常DNA合成来发挥抗噬菌体作用。

报告后，同学们围绕蛋白质模板化DNA合成的分子基础、DRT3系统在抗噬菌体免疫中的具体作用方式，以及该研究对逆转录酶演化和核酸聚合机制的启示展开了热烈讨论。大家还进一步思考了此类防御相关逆转录酶是否可能存在更广泛的功能多样性，以及未来能否通过结构改造将其发展为可编程的核酸合成工具。

撰稿人：胡刘钰滨