近日，南方科技大学医学院生物化学系贾宁副教授团队在 Cell Host & Microbe 在线发表题为“Dual sensing activates antiviral reverse transcriptase for membrane targeting”的研究论文，揭示了细菌利用多种感染信号激活非常规逆转录，在噬菌体感染后将原本不编码蛋白的RNA“重构”为能够产生毒素蛋白的遗传信息，随后通过毒素破坏细胞膜，从而抵抗噬菌体感染的免疫新机制。研究团队进一步将DRT2改造为可按需合成自定义DNA的分子工具，为DNA合成技术提供了新的思路。

逆转录酶能以RNA为模板合成DNA，是生命信息传递过程中重要的核酸聚合酶。来源于肺炎克雷伯菌的由逆转录酶和ncRNA组成的DRT2防御系统能为大肠杆菌提供广谱抗噬菌体保护（图1A）。更令人称奇的是，DRT2系统并非简单复制RNA模板，而是进行滚环式逆转录。DRT2逆转录酶与其相邻的非编码RNA形成稳定复合物（图1B）。感染触发后，DRT2以ncRNA部分序列为模板，通过程序化模板跳跃产生大量头对头串联重复的双链ccDNA——长度可达数千个碱基对，包含多个重复单元（图1C）。

图1. DRT2免疫系统合成毒性Neo蛋白抵御多种噬菌体侵染。（A）DRT2抗噬菌体谱系；（B）DRT2-ncRNA复合体的结构；（C）Neo蛋白合成过程模式图；（D）噬菌体SSAP、SSB及NrdAB激活DRT2导致细菌死亡；(E）DRT2产生Neo蛋白通过破坏细胞膜导致细菌死亡

这些重复序列在连接后，意外地拼凑出一个完整的启动子和一个无终止密码子的开放阅读框——这意味着，原本分散在ncRNA上的“碎片”信息，被重新组合成一个崭新的蛋白编码基因neo（图1C）。这一过程彻底颠覆了传统“DNA→RNA→蛋白质”的中心法则，形成了一条全新路径：非编码RNA → 滚环逆转录 → 重复双链DNA → 新生毒素基因 → Neo蛋白。

有趣的是，在未感染细胞中，ncRNA和逆转录酶虽已组成性表达，但仅产生少量concatemeric cDNA（ccDNA）；噬菌体感染触发ccDNA合成快速，双链ccDNA大量积累，才使neo基因得以转录和翻译。这一独特的基因生成方式也在其他科研团队开展的DRT2研究中同样被发现（Science. 2024 Oct 4;386(6717):eadq3977；Science. 2024 Oct 4;386(6717):eadq0876），相关工作从不同角度共同揭示了DRT2非常规逆转录产生新生蛋白编码信息的现象。在此基础上，本研究进一步解析了DRT2系统如何识别噬菌体入侵信号以及新生成的Neo蛋白如何发挥抗噬菌体效应的详细机制。

噬菌体入侵细菌时，会留下多种感染信号。研究人员发现，DRT2系统并非依赖单一信号，而是同时监测两类截然不同的感染特征（图1D）。

第一条通路：噬菌体编码的单链DNA结合蛋白（SSB/SSAP）直接与DRT2复合物结合，刺激其持续合成DNA。

第二条通路：噬菌体为加速自身复制，会利用NrdAB酶大幅提升宿主细胞内dNTP水平，其中dGTP的升高能直接结合DRT2，解除其自抑制状态。冷冻电镜结构解析显示，dGTP结合后DRT2-ncRNA复合物发生构象变化，启动逆转录。这两条通路相互独立又协同作用，确保DRT2仅在真正遭遇噬菌体时充分启动，避免“误伤”自身。

Neo蛋白不含任何已知酶学结构域，但具有高度α-螺旋重复结构，类似于HEAT重复蛋白和α-solenoid折叠。其毒性随重复单元数量增加而增强。Neo蛋白一旦表达，会迅速定位到细菌细胞膜，引发膜去极化、通透性增加，最终导致不可逆的细胞死亡。时间序列实验显示，早期膜去极化在一定程度上可逆，而随膜完整性进一步受损，细胞进入不可逆死亡状态。体外脂质体实验证实，Neo本身就能直接破坏脂质双分子层，无需任何宿主辅助因子（图1E）。这是一种典型的流产感染策略：被感染的细菌主动“自毁”，阻断噬菌体完成复制和释放，以个体牺牲换取整个菌群的生存。

研究团队还展示了DRT2的应用潜力——通过替换其ncRNA中的模板序列，并利用已知激活信号，可驱动DRT2合成用户指定的重复双链DNA（图2）。这意味着，DRT2有望发展成一种由感染信号或分子开关控制的可编程DNA合成工具，为合成生物学和基因编辑提供新平台。

图2. DRT2重编程化改造。（A）DRT2 ncRNA改造示意图；（B）重编程目的蛋白生成示意图；（C）重编程目的蛋白转录水平检测；（D）重编程目的蛋白蛋白水平检测

与团队此前发现的DRT9系统（Science, 2025, 388: eads4639）相比，DRT2展现了逆转录酶在抗病毒免疫中更为激进的策略。DRT9在噬菌体感染时感知dATP浓度升高，逆转录产生长链poly(A)单链cDNA作为“诱饵”直接扣押噬菌体SSB蛋白；而DRT2则感知dGTP和SSB/SSAP双重信号，并主动“编写”全新毒素基因。

两项工作共同揭示了防御相关逆转录酶利用DNA执行抗病毒免疫的两种截然不同方式，拓展了人们对核酸功能和遗传信息传递方式的认识：在特定生理状态下，非编码RNA中的信息可以通过逆转录被重新组织，形成新的蛋白编码信息并直接决定细胞命运。

南方科技大学医学院稳态医学研究院生物化学系研究助理教授夏玉山，博士生漆华、魏新洋为论文共同第一作者。贾宁为论文通讯作者。南方科技大学为论文第一单位。该研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、广东省和深圳市自然基金、广东省重点实验室以及深圳市科技创新计划等项目的大力支持。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。

供稿：生物化学系

通讯员：王艳芳

主图：丘妍

编辑：曾昱雯