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細(xì)菌在與噬菌體的長(zhǎng)期博弈過(guò)程中，進(jìn)化出復(fù)雜多樣的免疫系統(tǒng)，抵御噬菌體的入侵。2025年05月01日，南方科技大學(xué)醫(yī)學(xué)院穩(wěn)態(tài)醫(yī)學(xué)研究院生物化學(xué)系賈寧科研團(tuán)隊(duì)在Science雜志上在線發(fā)表了題為

Bacterial reverse transcriptase synthesizes long poly-A-rich cDNA for anti-phage defense

的研究論文。該研究發(fā)現(xiàn)了一種由細(xì)菌逆轉(zhuǎn)錄酶DRT9和非編碼RNA共同介導(dǎo)的新型抗噬菌體免疫策略：細(xì)菌通過(guò)逆轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生大量富含poly-A的重復(fù)序列、長(zhǎng)度達(dá)數(shù)千個(gè)核苷酸的單鏈cDNA，來(lái)抵御噬菌體侵染。這一發(fā)現(xiàn)不僅拓展了對(duì)細(xì)菌免疫機(jī)制的認(rèn)識(shí)，而且豐富了對(duì)逆轉(zhuǎn)錄酶功能的理解，也為基于DRT9開發(fā)新型生物技術(shù)工具奠定了理論基礎(chǔ)。

研究人員首先在大腸桿菌細(xì)胞內(nèi)表達(dá)包含逆轉(zhuǎn)錄酶DRT9和非編碼RNA （ncRNA）的DRT9系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)其通過(guò)流產(chǎn)感染（Abortive Infection, Abi）策略抵抗多種噬菌體的侵染（圖1A and B）。隨后，研究團(tuán)隊(duì)利用冷凍電鏡技術(shù)成功解析了DRT9與ncRNA的整體結(jié)構(gòu)，DRT9-ncRNA整體呈現(xiàn)一個(gè)雙層六聚體形式，其編碼的ncRNA呈現(xiàn)出獨(dú)特的“樹狀結(jié)構(gòu)”（圖1C）。進(jìn)一步的突變實(shí)驗(yàn)表明DRT9的多聚體狀態(tài)及ncRNA的結(jié)構(gòu)特征（而非具體序列）對(duì)其發(fā)揮防御功能至關(guān)重要。

圖1. DRT9系統(tǒng)組裝成六聚體的形式并可以抵抗多種噬菌體的侵染.圖注：(A) E. coli A178菌株中DRT9系統(tǒng)基因組成示意圖（上）。DRT9系統(tǒng)能夠抵御多種噬菌體（下）。(B) DRT9系統(tǒng)通過(guò)流產(chǎn)感染的方式抵御噬菌體入侵。(C) DRT9-ncRNA六聚體復(fù)合物的2.62 ?冷凍電鏡（Cryo-EM）結(jié)構(gòu)。

同時(shí)，研究人員發(fā)現(xiàn)在高濃度dNTP和Mg2?條件下，DRT9能夠合成超過(guò)1000 nt的單鏈cDNA且不需要額外加入引物。通過(guò)深入的結(jié)構(gòu)分析，研究人員認(rèn)為ncRNA向外翻轉(zhuǎn)的U124位堿基在cDNA合成過(guò)程中至關(guān)總要，并且只需要高濃度的dATP就足以啟動(dòng)cDNA的合成。為了揭示DRT9合成cDNA的序列特征，研究人員運(yùn)用Illumina二代測(cè)序和PacBio SMRT三代測(cè)序技術(shù)，并結(jié)合Southern blot和UPLC-MS分析證實(shí)DRT9合成的cDNA為長(zhǎng)鏈的poly-A，長(zhǎng)度可達(dá)幾千核苷酸（圖2A-C）。

圖2. 噬菌體T4 的核糖核苷酸還原酶NrdAB激活DRT9合成可長(zhǎng)鏈poly-A cDNA.圖注：(A和B) DRT9-ncRNA復(fù)合物體外合成的cDNA二代測(cè)序（NGS）和三代PacBio單分子實(shí)時(shí)測(cè)序（SMRT）結(jié)果比例分布。(C) Southern blot實(shí)驗(yàn)證實(shí)DRT9合成的cDNA為poly-A。(D) Southern blot實(shí)驗(yàn)證實(shí)噬菌體NrdAB可以激活DRT9系統(tǒng)。(E) 火山圖顯示T4噬菌體感染含有DRT9的菌株后，其SSB蛋白表達(dá)水平顯著提高。(F) 噬菌體SSB蛋白的過(guò)表達(dá)會(huì)抑制DRT9系統(tǒng)的抗噬菌體防御活性。

為闡明DRT9系統(tǒng)識(shí)別何種噬菌體入侵的信號(hào)，研究人員通過(guò)噬菌體逃逸實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)攜帶有nrdA和nrdB突變（編碼核糖核苷酸還原酶RNR亞基，能將核糖核苷酸轉(zhuǎn)化為脫氧核糖核苷酸）的噬菌體能夠逃逸DRT9系統(tǒng)。進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)表明當(dāng)T4噬菌體入侵時(shí)，其NrdAB復(fù)合物將迅速升高胞內(nèi)dNTP含量，從而激活DRT9系統(tǒng)，而當(dāng)NrdAB發(fā)生突變時(shí)，胞內(nèi)dNTP水平并沒(méi)有顯著變化，從而使噬菌體能夠逃逸DRT9系統(tǒng)的識(shí)別（圖2D）。這些結(jié)果表明了DRT9通過(guò)感知噬菌體侵染導(dǎo)致的dATP濃度升高而被激活。

為了研究DRT9系統(tǒng)如何干擾噬菌體的增殖，研究人員通過(guò)轉(zhuǎn)錄組測(cè)序分析發(fā)現(xiàn)當(dāng)DRT9系統(tǒng)存在時(shí)，侵染噬菌體與DNA復(fù)制相關(guān)的基因顯著上調(diào)，尤其是編碼單鏈DNA結(jié)合蛋白SSB（single-stranded DNA-binding protein, SSB）的基因（圖2E）。噬菌體的SSB蛋白在噬菌體基因組復(fù)制和轉(zhuǎn)錄過(guò)程中發(fā)揮了重要作用，進(jìn)一步的生理實(shí)驗(yàn)也表明，當(dāng)過(guò)表達(dá)SSB蛋白時(shí)，DRT9系統(tǒng)失去了對(duì)噬菌體的防御能力。這些結(jié)果表明DRT9合成的長(zhǎng)鏈poly-A cDNA“扣押”了噬菌體的SSB蛋白，從而抑制噬菌體正常增殖。

圖4. DRT9免疫系統(tǒng)作用機(jī)制

綜上，噬菌體侵染細(xì)菌時(shí)，其編碼的核糖核苷酸還原酶NrdAB促使宿主細(xì)胞內(nèi)dNTP濃度迅速升高，為噬菌體基因組DNA合成提供原料。細(xì)菌DRT9免疫系統(tǒng)通過(guò)感知細(xì)胞內(nèi)dATP濃度的升高被激活，逆轉(zhuǎn)錄合成大量富含poly-A序列、長(zhǎng)度可達(dá)數(shù)千個(gè)核苷酸的單鏈cDNA。這些長(zhǎng)鏈poly-A-rich cDNA因缺乏二級(jí)結(jié)構(gòu)，成為單鏈DNA結(jié)合蛋白（SSB）的優(yōu)良結(jié)合底物，從而通過(guò)扣押噬菌體復(fù)制必需的SSB蛋白，阻斷噬菌體的復(fù)制，從而保護(hù)細(xì)菌（圖3）。這一發(fā)現(xiàn)不僅拓展了我們對(duì)細(xì)菌免疫策略的理解，也豐富了對(duì)逆轉(zhuǎn)錄酶生物學(xué)功能的認(rèn)識(shí)，建立了原核逆轉(zhuǎn)錄酶與真核端粒酶之間的分子聯(lián)系，并為基于DRTs的生物技術(shù)工具開發(fā)提供了重要基礎(chǔ)。

南方科技大學(xué)醫(yī)學(xué)院穩(wěn)態(tài)醫(yī)學(xué)研究院生物化學(xué)系博士生宋心怡、博士后夏玉山，張峻濤為本論文的共同第一作者。南方科技大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物化學(xué)系賈寧副教授為本文的通訊作者。

南方科技大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物化學(xué)系賈寧課題組長(zhǎng)期聚焦細(xì)菌和古細(xì)菌免疫系統(tǒng)抵御噬菌體和質(zhì)粒入侵分子機(jī)制的研究，歡迎對(duì)該方向感興趣的博士后、研究生以及本科生的加入（招聘長(zhǎng)期有效）。

論文鏈接： http://doi.org/10.1126/science.ads4639

制版人：十一

學(xué)術(shù)合作組織

（*排名不分先后）