四合一复制酶GP55：揭示噬菌体基因组复制的新型多功能分子机器

华中科技大学团队在《Nucleic Acids Research》发表研究，首次鉴定乳球菌噬菌体1706编码的多功能复制酶GP55，该酶整合了解旋酶（helicase）、引发酶（primase）、DNA聚合酶（PolB）和3'-5'核酸外切酶活性，突破传统复制酶依赖多蛋白复合体的限制。研究发现GP55通过独特的UTP/dTTP依赖型解旋机制和GTP偏好性引发合成，实现ssDNA从头合成，为噬菌体基因组复制机制和新型分子工具开发提供新视角。

　　

在生命科学领域，DNA复制是维持遗传信息传递的核心过程。传统认知中，这一过程需要多种酶协同完成：解旋酶解开DNA双链，引发酶合成RNA引物，DNA聚合酶延伸链，核酸外切酶负责校对。然而，噬菌体作为地球上最丰富的生物实体，其基因组复制机制长期充满未解之谜。现有研究表明，某些移动遗传元件（MGEs）和病毒编码的复制酶具有非常规功能，但能否将复制全过程整合至单一蛋白仍无定论。

华中科技大学生命科学与技术学院分子生物物理教育部重点实验室的研究团队在《Nucleic Acids Research》发表重要成果，解析了乳球菌噬菌体1706编码的GP55蛋白。这个长达1317个氨基酸的"分子瑞士军刀"打破了传统认知：它不仅是首个被证实同时具备四种复制关键活性的单体酶，更展现出噬菌体为适应宿主环境进化出的精简复制策略。

研究采用多学科技术手段：通过AlphaFold2预测GP55三维结构，结合SEC-MALS分析其寡聚状态；利用放射性标记的引物延伸实验和变性凝胶电泳检测DNA聚合酶/核酸外切酶活性；设计特异性DNA底物评估UTP/dTTP依赖的解旋能力；采用[α-³²P]ATP/GTP标记追踪引发酶活性；通过系统突变和结构比对鉴定新型α-螺旋结构域（aHD）的功能。

研究结果部分揭示了一系列突破性发现：

GP55代表人类相关噬菌体中普遍存在的多域复制酶
生物信息学分析显示，GP55同源物广泛存在于感染人类共生菌（如肠道/口腔菌群）的噬菌体中。结构预测显示其包含解旋酶域、PriS样域、新型aHD域和PolB域，关键功能位点通过多序列比对鉴定。

GP55展现DNA聚合酶、3'-5'核酸外切酶和解旋酶活性
实验证实PolB域具有典型延伸和校对功能，而解旋酶域表现出非常规的UTP/dTTP依赖性。SEC-MALS显示天然GP55形成二聚体，这种寡聚状态可能协调其多功能性。

GP55引发酶和DNA聚合酶活性实现DNA从头合成
区别于传统AEP家族蛋白，GP55在缺乏PriL/HBD辅助域的情况下，通过新型aHD域维持引发活性。其识别5'-CCAAC-3'序列并以GTP优先启动引物合成，最短4nt RNA引物即可支持后续延伸。

引发酶活性依赖新型aHD结构域
结构比对发现aHD由两对平行α-螺旋构成，与已知引发酶结构域无同源性。关键残基Y655/F667突变完全消除引发活性，证实该域对复制起始的不可或缺性。

GP55从头合成DNA的特性解析
在仅含dNTPs和GTP条件下，GP55即可高效复制7249nt的ssM13 DNA，产物经限制性内切酶验证为完整双链。比较实验显示商业DNA聚合酶（T4/Phi29）均无此能力。

这项研究从根本上改变了对DNA复制机器的认知：GP55证明单一蛋白可整合复制全过程所需功能，其二聚体形式可能实现"一个亚基引发、另一个亚基延伸"的分子分工。从应用角度看，GP55兼具Phi29的链置换能力和T7解旋酶特性，为等温扩增技术提供了新候选工具；从进化角度看，aHD域的发现揭示了蛋白质功能域重排的创新路径。更重要的是，GP55同源物在人类相关噬菌体中的广泛存在，暗示这类精简复制机器可能在微生物组稳态调控中扮演关键角色，为理解宿主-噬菌体共进化开辟了新视角。