RNA介导的Retron-Eco2寡聚化结构解析及其抗噬菌体防御机制研究

本研究揭示了Retron-Eco2系统通过RNA-DNA杂交链（msDNA）介导形成三聚体自抑制结构的分子机制，发现其Toprim效应域具有RNase活性可降解RNA阻断噬菌体复制，并鉴定出噬菌体DenB内切酶为系统激活触发因子。该成果为理解细菌-噬菌体军备竞赛提供了新视角，并为合成生物学应用奠定基础。

　　

在细菌与噬菌体持续演化的军备竞赛中，Retron系统作为新发现的细菌免疫武器，其防御机制仍存在大量未解之谜。特别是含有逆转录酶（Reverse Transcriptase, RT）与Toprim效应域融合蛋白的Retron-Eco2系统，虽已知能形成超大分子复合体，但具体结构特征与激活机制始终成谜。这项发表于《Cell Discovery》的研究，通过高分辨率冷冻电镜技术首次解析了Retron-Eco2的三聚体结构，揭示了其独特的自抑制机制与噬菌体逃逸突变间的分子博弈。

研究团队采用冷冻电镜（cryo-EM）技术解析2.6?分辨率结构，通过大肠杆菌MG1655模型进行噬菌体挑战实验，结合RNA-seq转录组分析和RNase Alert酶活检测，系统阐明了Retron-Eco2的作用机制。

结构决定Retron-Eco2防御系统

冷冻电镜结构显示，Retron-Eco2由3个msDNA-RT-Toprim单元组成三角状三聚体。每个msDNA的RNA部分（msrRNA）像螺旋桨叶片般连接相邻RT域，形成头尾相连的环形结构。其中msrRNA的23bp茎环结构（RSL）通过π-π堆积与组氨酸残基稳定结合，而分支鸟苷（rG15）与msdDNA的5'端通过2',5'-磷酸二酯键连接，这种独特构象为自抑制状态提供了结构基础。

逆转录酶域的关键特征

RT域呈现经典的右手折叠结构，与DRT2防御系统结构相似度最高。研究发现芳香族残基F46通过π-π堆积稳定rU51（待逆转录核苷酸），该位点突变（F46A）会导致msDNA合成减少和防御功能丧失。三聚体界面关键残基R332的突变会破坏复合体组装，证实蛋白质-RNA互作共同维持三聚体稳定性。

Toprim效应域的RNase活性

Toprim域具有典型OLD核酸酶特征，含保守的E374/D460/D462（DxD基序）金属离子结合位点。体外实验证明其能降解RNA，而突变体（E374A/D378A）则丧失酶活。RNA-seq显示激活后的Eco2显著抑制噬菌体晚期基因表达，表明其通过RNA降解阻断噬菌体增殖。值得注意的是，单独表达Toprim域会对宿主产生毒性，暗示其在天然状态下处于严密的自抑制状态。

噬菌体DenB触发防御激活

通过分离逃逸突变体发现，所有突变均集中在噬菌体denB基因的dT192-dG193间插入突变，导致内切酶IV样蛋白（DenB）提前终止。AlphaFold2预测显示DenB具有保守PD_D/ExK催化基序，可能通过切割msDNA解除自抑制，使Toprim域获得RNase活性。这一发现揭示了"诱饵-触发"式的防御激活新模式。

该研究首次阐明Retron-Eco2通过三级结构实现"自我刹车"，需噬菌体因子解除抑制的创新机制。这不仅拓展了对Toprim超家族蛋白功能多样性的认知，其模块化设计思路更为构建可调控的基因编辑工具提供了新范式。特别是msDNA作为天然生物传感器的特性，在合成生物学领域展现出独特应用潜力。研究建立的"结构-功能-进化"分析框架，为解析其他Retron系统提供了方法论参考。