逆转录子Ec78劫持ATP酶-核酸酶PtuAB的结构基础：细菌抗病毒防御系统的共适应机制

《Nature Structural & Molecular Biology》：Structural basis for retron co-option of anti-phage ATPase-nuclease

本研究揭示了细菌逆转录子防御系统Ec78共适应独立抗噬菌体系统Septu中ATP酶-核酸酶对PtuAB的结构机制。通过冷冻电镜结构和生化分析，团队发现Ec78通过重塑PtuAB的噬菌体感知和分子组装过程，使其获得独特的N端延伸区与逆转录酶/非编码RNA互作、螺旋瓣膜结构捕获msDNA等新特征，实现了由蛋白调控向RNA-DNA调控的功能转变，为理解逆转录子进化及其在基因组编辑中的应用提供了新视角。

　　

在微生物与噬菌体永无休止的军备竞赛中，细菌演化出了多种精妙的防御系统。其中，逆转录子（retron）作为近年来备受关注的新型防御系统，以其独特的三组分结构——逆转录酶（RT）、非编码RNA（ncRNA）及其衍生的多拷贝单链DNA（msDNA）——为细菌提供了又一道防线。然而，不同类型的逆转录子如何通过“劫持”现有的酶模块来适应不同的细胞需求，其进化原理一直是个未解之谜。

Ec78逆转录子与其他类型截然不同，它巧妙地“征用”了独立的Septu防御系统中的ATP酶-核酸酶对PtuAB，但如何实现这种功能转变的分子机制却扑朔迷离。与通过感知噬菌体尾纤维激活的独立Septu系统不同，Ec78通过产生msDNA来响应DNA靶向蛋白，且其PtuAB特异性针对宿主tRNA^Tyr而非广谱噬菌体。这种显著的功能差异暗示着Ec78可能通过重塑PtuAB的分子组装机制，实现了防御策略的根本性转变。

为了揭示逆转录子共适应独立防御系统的结构基础，研究团队综合运用了冷冻电镜（cryo-EM）结构解析、系统发育分析、ATP酶活性测定、噬菌斑实验、细胞生长分析、体外核酸切割实验以及人类细胞基因组编辑评估等多种技术方法。其中，冷冻电镜技术成功解析了Ec78复合物及其逆转录子解离的PtuAB的三维结构，系统发育分析涵盖了91,902个完整基因组的逆转录酶和PtuAB序列，人类细胞实验使用了HEK293T细胞系进行基因组编辑效率评估。

PtuAB复合物是逆转录子隔离的毒素单元

通过噬菌体挑战和细胞生长实验，研究人员证实PtuAB是Ec78的功能防御单元，其ATP酶和HNH核酸酶活性均为防御所必需。与独立Septu系统严格控制的活性不同，Ec78中的PtuAB表达会严重抑制细胞生长，而完整的逆转录子则通过RT-ncRNA-msDNA三元复合物对适应后的PtuAB施加控制。

PtuAB复合物靶向宿主tRNA^Tyr和质粒DNA

研究发现PtuAB特异性靶向宿主tRNA^Tyr，但其体外切割实验揭示了意想不到的复杂性。虽然tRNA^Tyr在体内能缓解PtuAB毒性，但体外实验中仅观察到PtuAB对超螺旋DNA的切割活性，且该活性依赖ATP酶但不受ATP浓度影响，表明Ec78 PtuAB具有独特的调控机制。

Ec78逆转录子隔离PtuAB的分子基础

冷冻电镜结构揭示了Ec78独特的4:2:1组装 stoichiometry（化学计量比）（四个PtuA、两个PtuB和一个RT-ncRNA-msDNA）。与Ec86逆转录子不同，Ec78采用单体RT而非二聚体，其ncRNA和msDNA经历了显著加工，包括移除茎环I、两个反向重复序列以及msDNA的脱支化，这些处理对PtuAB的结合至关重要。

PtuAB激活机制

系统发育分析显示，与PtuB相比，ATP酶PtuA在逆转录子相关和独立序列间呈现明显聚类，表明PtuA的进化促进了其与逆转录子功能的整合。逆转录子解离的PtuAB形成四聚体结构，与独立Septu系统的炎症小体样六聚体组装截然不同，这种差异解释了二者在ATP水解和防御靶标方面的区别。

Ec78逆转录子在人类细胞中实现高效基因组编辑

研究人员将Ec78逆转录子应用于人类细胞基因组编辑，结果显示其编辑效率与高性能的Mestre-1531逆转录子相当，凸显了Ec78作为高效基因组编辑工具的潜力。

本研究首次揭示了逆转录子共适应独立抗噬菌体系统的结构基础，阐明了Ec78通过获得独特的蛋白元件（N端延伸区、螺旋瓣膜和带正电荷环）来重塑PtuAB的分子机制。这种结构重塑使PtuAB从蛋白质调控转向RNA-DNA调控，从炎症小体样六聚体组装转变为四聚体形式，从而实现了防御靶标和激活机制的根本转变。该研究不仅深化了对细菌防御系统进化原理的认识，而且为逆转录子在基因组编辑和Prime编辑中的应用提供了结构基础，预示着这一系统在生物技术领域的广阔应用前景。