生命的藍(lán)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(zhì)的經(jīng)典路徑。隨后，逆轉(zhuǎn)錄酶（RT）和RNA依賴的RNA聚合酶（RdRp）的發(fā)現(xiàn)，打破了信息單向流動的 傳統(tǒng)認(rèn)知 。然而，在這些已知的生命過程中，一個共同的 ‘ 規(guī)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(zhì)為模板來合成DNA？換言之，蛋白質(zhì)蘊(yùn)含的化學(xué)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(zhì)依賴的 DNA 聚合酶 ” 。

2026 年 4 月 16 日，來自斯坦福大學(xué)的Alex Gao課題組在 Scienc e 上發(fā)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(fā)現(xiàn)并闡明了一種細(xì)菌逆轉(zhuǎn)錄酶Drt3b，它無需核酸模板，而是利用自身氨基酸側(cè)鏈作為“模具”，精確合成特定序列的DNA。這一發(fā)現(xiàn)，是自 1970 年諾獎得主 David Baltimore 等人發(fā)現(xiàn)逆轉(zhuǎn)錄酶以來， 對生命信息傳遞基本規(guī)則的又一次 標(biāo)志 性突破 ，不僅填補(bǔ)了生物信息傳遞的關(guān)鍵 拼圖 ，也為我們理解生命的編碼規(guī)則開辟了新 的 維度。

該研究始于一個獨特的細(xì)菌防御系統(tǒng) ——DRT3（ Defense-associated Reverse Transcriptase 3 ）。它由兩個來自不同分支的逆轉(zhuǎn)錄酶 ——Drt3a 和 Drt3b ，以及一個非編碼 RNA （ ncRNA ）構(gòu)成。研究團(tuán)隊證實，當(dāng) DRT3 在細(xì)菌（如 E. coli ）中表達(dá)時，能夠高效抵御多種噬菌體的 入侵 。通過對表達(dá) DRT3 的細(xì)菌進(jìn)行 non-stranded 雙鏈 DNA （ dsDNA ）測序分析，他們發(fā)現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)會自主產(chǎn)生大量由 poly(GT/AC) 交替重復(fù)序列組成的 dsDNA ，且這一過程無需噬菌體感染即可發(fā)生（圖1）。體外生化實驗進(jìn)一步證實，純化的 DRT3 復(fù)合物 確實能夠合成這種 特異 的 dsDNA 。其中， Drt3a 負(fù)責(zé)產(chǎn)生單鏈 poly(GT) DNA ，而 Drt3b 則負(fù)責(zé)合成互補(bǔ)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(jī)制，研究團(tuán)隊利用冷凍電鏡技術(shù)，成功解析了 DRT3 復(fù)合物在 “ 靜息（ Resting ） ” 和 “ 延伸（ Elongating ） ” 兩種狀態(tài)下的高分辨率（ 2.6 ? ）結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)顯示， DRT3 形成了一個具有 D3 對稱性的 6:6:6 復(fù)合物，即由 6 個 Drt3a 、 6 個 Drt3b 和 6 個 ncRNA 分子組成。整個結(jié)構(gòu)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(tǒng) 能自主合成 poly(GT/AC) 雙鏈 DNA . 圖注 : (A) DRT3 系統(tǒng) 抗噬菌體活性 測試。 (B-D) 體內(nèi)及體外合成的 poly(GT/AC) dsDNA 產(chǎn)物的測序與凝膠分析。 (E) DRT3 六 聚體復(fù)合物的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)。

精細(xì)的結(jié)構(gòu)分析 清晰地揭示 了兩個 RT 協(xié)同工作的分子基礎(chǔ)。 Drt3a 的機(jī)制相對 “ 傳統(tǒng) ” ，它像端粒酶一樣，以 ncRNA 上一段保守的 ACACAC 序列為模板，指導(dǎo) poly(GT) DNA 鏈的合成（圖2）。 與之相比，Drt3b的機(jī)制則截然不同。結(jié)構(gòu)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(jié)合通道也被自身結(jié)構(gòu)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(gòu)成了 “ 蛋白質(zhì)模板 ” 。

研究團(tuán)隊通過結(jié)構(gòu)解析發(fā)現(xiàn)，Glu26和Arg253這兩個關(guān)鍵殘基，通過一套協(xié)同的、交替的識別機(jī)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(fù)責(zé)在摻入位點選擇 dATP 。同時， Arg253 通過陽離子 -π 相互作用進(jìn)一步增強(qiáng)了對 dATP 的親和力。與此同時， Arg253 與 Glu26 協(xié)同，通過與前一個已摻入的 dC1 7 堿基形成穩(wěn)固的氫鍵，并結(jié)合空間位阻效應(yīng)，確保了 AC 序列中 C 位置的保真度。

圖 2. DRT3 復(fù)合物的 DNA 合成機(jī)制：經(jīng)典的 ncRNA 模板與顛覆性的蛋白質(zhì)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(gòu)筑了一個蛋白質(zhì) “ 模具 ” 。通過定點突變實驗（如 E26A ），研究團(tuán)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(jié)構(gòu)上完整闡明長鏈、序列特異性DNA的蛋白質(zhì)模板合成機(jī)制。它有力地表明，蛋白質(zhì)的功能遠(yuǎn)不止于催化和構(gòu)成結(jié)構(gòu):其自身的氨基酸序列和三維構(gòu)象，本身就蘊(yùn)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(fā)現(xiàn)， DRT3 系統(tǒng)通過識別噬菌體編碼的 ST61 蛋白來激活其抗病毒防御反應(yīng)（圖3）。

圖 3 . DRT3 系統(tǒng)的抗噬菌體分子機(jī)制模型

本研究揭示了 DRT3 作為一個精密細(xì)菌防御武器的內(nèi)在機(jī)制。其內(nèi)部包含兩個分工明確的逆轉(zhuǎn)錄酶： Drt3a 遵循以 RNA 為模板的傳統(tǒng)路徑，而 Drt3b 則開創(chuàng)了以蛋白質(zhì)為模板的 新模式 。二者協(xié)同合成 dsDNA ，共同實現(xiàn)抗噬菌體功能。

Drt3b 的發(fā)現(xiàn)，是分子生物學(xué)研究中的一項重要突破，極大地拓展了該領(lǐng)域的認(rèn)知邊界 。 它與此前已知的、僅限于極短產(chǎn)物的蛋白質(zhì)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(zhì)不同： Drt3b 能夠合成數(shù)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(jī)制上也更為獨特，它利用 RT 的結(jié)構(gòu)框架，卻完全以蛋白質(zhì)側(cè)鏈實現(xiàn)了核酸模板的功能。

這一發(fā)現(xiàn)不僅極大地拓展了我們對核酸聚合酶功能多樣性的認(rèn)知，也為“蛋白質(zhì)→DNA”這一全新的生物信息傳遞路徑提供了結(jié)構(gòu)和生化證據(jù)。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(xué)生物化學(xué)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(xué) 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(xiàn) 。

原文鏈接：10.1126/science.aed1656

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