【前沿&進展】Science丨朱斌/王隆飛團隊合作揭示一種通過DNA合成激活RNA切割的多功能抗病毒核酸酶DRT4

5月22日，《科學》加速發表（First Release）華中科技大學生命學院朱斌教授團隊與武漢大學藥學院王隆飛教授團隊的合作研究成果“DNA Polymerization Activates RNA Cleavage of an RT-like Antiviral Enzyme”。該研究首次揭示了一種通過DNA合成激活RNA切割的多功能抗病毒核酸酶DRT4。

與人類擁有復雜的免疫系統抵御病毒入侵類似，細菌等原核生物在長期進化過程中也演化出多種精巧的抗病毒防御體系。除了已被深入解析的限制修飾系統和CRISPR-Cas系統外，近年來，一類名為DRT（防御相關逆轉錄酶，Defense-associated Reverse Transcriptase）的免疫系統因其機制與“中心法則”的密切關聯及潛在的應用價值而受到廣泛關注。已知的DRT2、DRT3、DRT9等系統雖展現出非常規的DNA合成能力，但其抗病毒效應始終依賴于逆轉錄酶的核心功能——DNA合成。因此，一個關鍵科學問題懸而未決：DRT家族中是否存在成員能夠通過DNA合成以外的新功能實現免疫防御？

自2020年起，朱斌便對這一領域產生了濃厚興趣。為了進一步揭示DRT系統可能存在的新型抗病毒機制，他帶領團隊開啟了對DRT家族“生物學敘事”的續寫與完善。基于課題組在聚合酶與核酸酶領域的長期研究積累，研究團隊對DRT4系統開展了系統的生物化學與酶學分析，取得了突破性發現：DRT4不僅具備DNA聚合活性，還具有兩種與核酸合成方向相反的切割功能——DNA外切酶活性和RNA內切酶活性。研究首次證實，RNA切割才是DRT系統發揮抗病毒作用的關鍵效應機制。

通過一系列結構生物學研究，團隊成功闡明了DRT4如何將DNA合成信號轉化為RNA切割活性的精巧分子機制。生化與結構數據共同揭示了其完整的抗病毒工作模型：在正常生理狀態下，DRT4的DNA聚合活性與外切酶活性處于動態平衡，其所合成的短鏈單鏈DNA被限制在聚合活性口袋內，系統保持靜默；當烈性噬菌體入侵后，細胞內作為病毒基因組復制原料的dNTP濃度迅速升高，導致DNA聚合活性超過外切活性，DNA鏈得以持續延長并摻入dG或dA。隨著DNA長度增加，其末端從聚合口袋中翻出，同時結合其中的dGTP發生構象翻轉，觸發蛋白整體結構重排，最終在六聚體界面形成一個全新的RNA內切酶活性位點。該酶隨即廣泛切割宿主與噬菌體的RNA，導致細胞代謝停滯，從而有效阻斷病毒復制。

這一發現不僅首次將RNA切割確立為DRT系統的抗病毒執行機制，也大幅拓展了DRT家族的功能版圖，提示其他DRT成員也可能通過尚未被發現的非合成功能實現免疫防御。同時，該研究揭示了逆轉錄酶在核酸代謝演化中的核心地位——它不僅能催化核酸合成，還可演化出核酸切割能力，體現了生命分子機器在進化上的高度可塑性。

DRT4抗病毒機制模型

該發現同時暗示逆轉錄酶在核酸代謝功能演化中的核心地位，其可以向核酸合成和切割兩個相反方向演化。特異性的DNA從頭合成與長度監控、特異性的RNA加工性能、以及二者的精密聯系賦予DRT4及其同源酶在DNA合成、DNA存儲、RNA加工、基因編輯及分子感知等技術中的應用潛力。該工作填補了DRT系統研究中的機制空白，將原本斷裂的生物學邏輯鏈條完整銜接，真正實現了一個“信號感知-安全調控-效應輸出”的閉環免疫模型。

華中科技大學博士研究生榮雪君、武漢大學肖軍博士、華中科技大學博士研究生趙新元、華中科技大學閆艷博士與武漢大學李靜博士為論文共同第一作者，華中科技大學朱斌教授、武漢大學王隆飛教授、華中科技大學博士研究生王雄略為共同通訊作者，華中科技大學為論文第一單位。

朱斌課題組專注于“核酸酶的博物學”研究，利用分子水平的生物多樣性及課題組長期堅持的生物化學與酶學方法發現前所未見的核酸酶功能，探索新奇核酸酶涉及的生物學新機制并開發其應用。近年來發現多種新型核酸酶，基于此揭示了Gabija、E2-CBASS、DRT4等新型原核生物免疫系統機制，論文發表于Science、Nature、Nature Microbiology、Cell Host & Microbe等期刊，原創成果已由相關企業轉化為Ice LakeTM RNA polymerase、Clean T7TM RNA polymerase、T7 RNA polymerase 2.0等商業化RNA合成工具酶。