细菌在与噬菌体的长期博弈过程中，进化出复杂多样的免疫系统，以抵御噬菌体的入侵。2025年05月01日，南方科技大学医学院稳态医学研究院生物化学系副教授贾宁科研团队，在 Science 期刊上发表了题为“Bacterial reverse transcriptase synthesizes long poly-A-rich cDNA for anti-phage defense”的研究论文。该研究发现了一种由细菌逆转录酶 DRT9 和非编码 RNA 共同介导的新型抗噬菌体免疫策略：细菌通过逆转录产生大量富含 poly-A 的重复序列、长度达数千个核苷酸的单链 cDNA，来抵御噬菌体侵染。这一发现不仅拓展了对细菌免疫机制的认识，而且丰富了对逆转录酶功能的理解，也为基于 DRT9 开发新型生物技术工具奠定了理论基础。

图1 DRT9免疫系统模式图

贾宁课题组长期聚焦于原核生物（细菌和古菌）免疫防御系统抵御噬菌体入侵的分子机制研究，近几年来揭示了包括多种原核生物免疫系统防御噬菌体以及噬菌体反防御的分子机制（Science, 2025，2020; Nature Chemical Biology, 2024; Molecular Cell, 2023, 2019a, 2019b, 2019c; Nature Communications, 2024a , 2024b, 2022; Cell Research, 2024, 2022, 2020; Nature Reviews Molecular Cell Biology, 2021等）。

研究人员首先在大肠杆菌细胞内表达包含逆转录酶 DRT9 和非编码 RNA（ncRNA）的 DRT9 系统，发现其通过流产感染（Abortive Infection, Abi）策略抵抗多种噬菌体的侵染（图2A and B）。随后，研究团队利用冷冻电镜技术成功解析了 DRT9 与 ncRNA 的整体结构，DRT9-ncRNA 整体呈现一个双层六聚体形式，其编码的 ncRNA 呈现出独特的“树状结构”（图2C）。进一步的突变实验表明 DRT9 的多聚体状态及 ncRNA 的结构特征（而非具体序列）对其发挥防御功能至关重要。

图2 DRT9系统组装成六聚体的形式并可以抵抗多种噬菌体的侵染

图注：(A) E. coli A178菌株中DRT9系统基因组成示意图（上），DRT9系统能够抵御多种噬菌体（下）；(B) DRT9系统通过流产感染的方式抵御噬菌体入侵；(C) DRT9-ncRNA六聚体复合物的2.62 Å冷冻电镜（Cryo-EM）结构

同时，研究人员发现在高浓度 dNTP 和Mg²⁺条件下，DRT9 能够合成超过1000nt 的单链 cDNA 且不需要额外加入引物。通过深入的结构分析，研究人员认为 ncRNA 向外翻转的 U124 位碱基在 cDNA 合成过程中至关重要，并且只需要高浓度的 dATP 就足以启动 cDNA 的合成。为了揭示 DRT9 合成 cDNA 的序列特征，研究人员运用 Illumina 二代测序和 PacBio SMRT 三代测序技术，并结合 Southern blot 和 UPLC-MS 分析证实 DRT9 合成的cDNA 为长链的 poly-A，长度可达几千核苷酸（图3A-C）。

图3 噬菌体T4 的核糖核苷酸还原酶 NrdAB 激活 DRT9 合成可长链 poly-A cDNA

图注：(A和B) DRT9-ncRNA 复合物体外合成的 cDNA 二代测序（NGS）和三代 PacBio 单分子实时测序（SMRT）结果比例分布；(C) Southern blot 实验证实 DRT9 合成的 cDNA 为poly-A；(D) Southern blot 实验证实噬菌体 NrdAB 可以激活 DRT9 系统；(E) 火山图显示T4噬菌体感染含有 DRT9 的菌株后，其 SSB 蛋白表达水平显著提高；(F) 噬菌体 SSB 蛋白的过表达会抑制 DRT9 系统的抗噬菌体防御活性

为阐明 DRT9 系统识别何种噬菌体入侵的信号，研究人员通过噬菌体逃逸实验发现携带有 nrdA 和 nrdB 突变（编码核糖核苷酸还原酶 RNR 亚基，能将核糖核苷酸转化为脱氧核糖核苷酸）的噬菌体能够逃逸 DRT9 系统。进一步实验表明当T4噬菌体入侵时，其 NrdAB 复合物将迅速升高胞内 dNTP 含量，从而激活 DRT9 系统，而当 NrdAB 发生突变时，胞内 dNTP 水平并没有显著变化，从而使噬菌体能够逃逸 DRT9 系统的识别（图3D）。这些结果表明了 DRT9 通过感知噬菌体侵染导致的 dATP 浓度升高而被激活。

为研究 DRT9 系统如何干扰噬菌体的增殖，研究人员通过转录组测序分析发现当 DRT9 系统存在时，侵染噬菌体与 DNA 复制相关的基因显著上调，尤其是编码单链 DNA 结合蛋白 SSB（single-stranded DNA-binding protein, SSB）的基因（图3E）。噬菌体的 SSB 蛋白在噬菌体基因组复制和转录过程中发挥了重要作用，进一步的生理实验也表明，当过表达 SSB 蛋白时，DRT9 系统失去了对噬菌体的防御能力。这些结果表明 DRT9 合成的长链 poly-A cDNA“扣押”了噬菌体的 SSB 蛋白，从而抑制噬菌体正常增殖。

图4 DRT9免疫系统作用机制

综上，噬菌体侵染细菌时，其编码的核糖核苷酸还原酶 NrdAB 促使宿主细胞内 dNTP 浓度迅速升高，为噬菌体基因组 DNA 合成提供原料。细菌 DRT9 免疫系统通过感知细胞内 dATP 浓度的升高被激活，逆转录合成大量富含 poly-A 序列、长度可达数千个核苷酸的单链 cDNA。这些长链 poly-A-rich cDNA 因缺乏二级结构，成为单链 DNA 结合蛋白（SSB）的优良结合底物，从而通过扣押噬菌体复制必需的 SSB 蛋白，阻断噬菌体的复制，从而保护细菌（图4）。这一发现不仅拓展了我们对细菌免疫策略的理解，也丰富了对逆转录酶生物学功能的认识，建立了原核逆转录酶与真核端粒酶之间的分子联系，并为基于 DRTs 的生物技术工具开发提供了重要基础。

南方科技大学医学院生物化学系博士生宋心怡、博士后夏玉山，张峻涛为本论文的共同第一作者。贾宁为本文的通讯作者。南方科技大学是论文第一单位和通讯作者单位。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、广东省和深圳市面上自然基金、广东省重点实验室等项目的大力支持。南方科技大学冷冻电镜中心为该研究相关的冷冻电镜数据收集和处理工作提供了大力支持。

论文链接：http://doi.org/10.1126/science.ads4639

供稿：生物化学系

通讯员：杨玲

主图：丘妍

编辑：曾昱雯