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噬菌體（圖片來(lái)源：NIAID）

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1977年，一項(xiàng)發(fā)表于《自然》的研究發(fā)現(xiàn)一種噬菌體的DNA中不存在A堿基，而是完全被一種新的堿基——二氨基嘌呤（Z堿基）替換了，后者在DNA雙鏈中與T堿基配對(duì)。

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最近，關(guān)于噬菌體Z堿基的研究迎來(lái)了新進(jìn)展?！犊茖W(xué)》雜志上的3篇文章共同揭示了一個(gè)驚人的結(jié)果：至少有100多種噬菌體能在宿主體內(nèi)合成Z堿基，且其DNA中都使用了Z和T、C和G的配對(duì)形式。這種新堿基為何會(huì)出現(xiàn)，它們可能帶來(lái)那些改變？這些問(wèn)題的答案也被逐一揭開(kāi)。

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撰文 | 石云雷

審校 | 楊心舟

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1953年，克里克和沃森在《自然》上發(fā)文揭示了DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)，并于1962年和英國(guó)分子生物學(xué)家莫里斯·威爾金斯分享了諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。DNA由兩條反向平行的脫氧核糖核酸單鏈組成，含有4種堿基，其中A和T之間形成2個(gè)氫鍵，C和G之間形成3個(gè)氫鍵，用于維持DNA結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

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除了我們熟悉的構(gòu)成DNA的4種堿基（A、T、C和G）之外，近些年來(lái)，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)DNA雙鏈上的堿基能夠被修飾，例如甲基、甲酰基和羧基修飾等。不過(guò)，這些修飾后的堿基在DNA中占比極小。

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近日，在3篇發(fā)表于《科學(xué)》的論文中，中國(guó)和法國(guó)的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)大量噬菌體（一類病毒）體內(nèi)的DNA與其他生物并不相同。其DNA結(jié)構(gòu)也是穩(wěn)定的雙螺旋結(jié)構(gòu)，但構(gòu)成DNA的腺嘌呤（A堿基）被完全替換成另一種堿基——二氨基嘌呤，簡(jiǎn)稱為Z堿基。其中一篇論文的通訊作者，天津大學(xué)藥物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院的張雁教授表示，這種堿基也是除了A、T、C和G外，在自然界中能構(gòu)成DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的第5種堿基。

許多噬菌體的DNA由Z、T、C和G堿基構(gòu)成（圖片來(lái)源于論文）

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“這個(gè)新堿基打破了此前克里克等人定義的經(jīng)典的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)，我們可以把它稱為能構(gòu)建DNA雙螺旋的‘第5種堿基’，”在接受《環(huán)球科學(xué)》的采訪時(shí)，張雁說(shuō)，“在研究中，我們發(fā)現(xiàn)這種DNA的穩(wěn)定性比傳統(tǒng)的DNA更高，我們推測(cè)Z和T或許形成了3個(gè)氫鍵。這也意味DNA還具有新的物理和化學(xué)性質(zhì)。”而另外兩篇由法國(guó)科學(xué)家發(fā)表的文章，也證實(shí)了張雁教授等人的研究。

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無(wú)人問(wèn)津的研究

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1977年，Z堿基首次在一篇發(fā)表于《自然》雜志的文章中露面。當(dāng)時(shí)，蘇聯(lián)科學(xué)家分析了一種能感染藍(lán)綠藻的S-2L噬菌體（也稱為噬藻體，cyanophage）的基因。根據(jù)光譜分析數(shù)據(jù)，他們發(fā)現(xiàn)其中存在除T、C和G之外的另一種堿基，并通過(guò)酸水解實(shí)驗(yàn)證實(shí)這種未知的堿基為二氨基嘌呤（Z）。

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首次發(fā)現(xiàn)該現(xiàn)象后，他們通過(guò)酶解實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了重復(fù)驗(yàn)證，并確認(rèn)S-2L噬菌體的DNA確實(shí)是由這4種堿基的脫氧核糖核苷酸組成，其中Z與T的含量接近，在DNA中配對(duì)。不過(guò)，此后數(shù)十年一直沒(méi)有相關(guān)的研究進(jìn)展。

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由于長(zhǎng)期從事酶學(xué)和生物基礎(chǔ)代謝研究，張雁教授等人注意到了S-2L噬菌體。當(dāng)他們重新審視這篇文章時(shí)，疑問(wèn)也浮現(xiàn)出來(lái)——為什么這種噬菌體的DNA中含有一種新的堿基？這種堿基是怎么合成的？

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在新研究中，他們發(fā)現(xiàn)S-2L噬菌體在入侵宿主后，會(huì)利用自身基因合成的兩種酶——dATPase和PurZ。PurZ的作用十分關(guān)鍵，它能和細(xì)菌中的酶一起發(fā)揮作用，促進(jìn)二氨基嘌呤脫氧核苷酸（如dZTP）的形成。隨后，S-2L噬菌體自身的DNA聚合酶能以它為底物，在新合成的噬菌體DNA中添加Z堿基。

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而噬菌體DNA中A堿基的消失，還需要依賴dATPase。它能直接降解含有A堿基的脫氧核苷酸，阻止其參與DNA的合成。除S-2L噬菌體以外，一些噬菌體還能合成酶DUF550，它既能和PurZ協(xié)同作用，提高噬菌體合成dZTP的效率，還具有部分降解含有A堿基的脫氧核苷酸的功能。

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4種來(lái)自噬菌體的酶（紅色）在DNA（含Z堿基）合成過(guò)程中的作用。圖片來(lái)源于論文

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為什么這種噬菌體需要一個(gè)新的堿基呢？這與它們的生存方式密切相關(guān)。噬菌體能吸附在細(xì)菌表面，像注射器一樣將自身的DNA注射入細(xì)菌體內(nèi)。但在細(xì)菌中實(shí)現(xiàn)大量繁殖之前，它首先需要面對(duì)細(xì)菌體內(nèi)的“免疫系統(tǒng)”——限制性內(nèi)切酶。當(dāng)外來(lái)的DNA入侵時(shí)，細(xì)菌的限制性內(nèi)切酶能切割這些外來(lái)DNA上特定的基因序列，促進(jìn)其降解。

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當(dāng)DNA序列中的一種堿基被徹底替換時(shí)，細(xì)菌中的限制性內(nèi)切酶無(wú)法對(duì)其識(shí)別，細(xì)菌就沒(méi)有防御措施，只能等待被噬菌體占據(jù)了。并不只有S-2L噬菌體能利用這種新堿基，在發(fā)表于《科學(xué)》的文章中，張雁等人發(fā)現(xiàn)了100多種能表達(dá)PurZ和相關(guān)基因的噬菌體，其中大部分來(lái)自短尾噬菌體科（Podoviridae）和長(zhǎng)尾噬菌體科（Siphoviridae）。他們推測(cè)如果一種噬菌體的基因組中含有合成PurZ等基因，就可以證明它的DNA中A堿基完全被Z堿基替換了，因此具有這種DNA的噬菌體可能遠(yuǎn)不止這些。而要證明這一猜想，他們還需要一種新的噬菌體來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證。

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從頭開(kāi)始

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為了驗(yàn)證這一猜想，他們選擇了一種能感染不動(dòng)桿菌的噬菌體——SH-Ab 15497。由于噬菌體DNA序列的特殊性，只能用化學(xué)分析方法——液相色譜和納米孔測(cè)序技術(shù)——進(jìn)行測(cè)序。

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?和Z堿基合成相關(guān)的酶基因在多種噬菌體基因組中的分布（圖片來(lái)源于論文）

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通過(guò)與上海科技大學(xué)趙素文教授的合作，張雁教授等人最終確認(rèn)了噬菌體SH-Ab 15497的DNA中的堿基組成為Z、T、G和C。在培養(yǎng)噬菌體時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)當(dāng)它們感染在細(xì)菌后，能很快將細(xì)菌裂解，這意味著細(xì)菌的“免疫系統(tǒng)”失效了，而新的DNA組成并沒(méi)有影響噬菌體的繁殖。

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在《科學(xué)》雜志的另外兩篇論文中，一項(xiàng)研究通過(guò)一種能感染弧菌的噬菌體，證實(shí)了PurZ在合成Z堿基中的關(guān)鍵作用。另外，PurZ似乎與古細(xì)菌中PurA具有相似性。另一篇文章則顯示長(zhǎng)尾噬菌體將PurZ酶基因連接到DNA上的DNA聚合酶，與細(xì)菌含有的DNA聚合酶I具有很高的相似性。這一發(fā)現(xiàn)暗示，在很早之前，Z堿基或許和A堿基同時(shí)存在于細(xì)菌體內(nèi)。

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可以解決的問(wèn)題

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Z堿基的發(fā)現(xiàn)不僅撼動(dòng)了克里克和沃森在1953年提出的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)，還能推動(dòng)更多實(shí)用性研究的發(fā)展?！半m然目前我們只了解到這種DNA分子結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定了，其他的物理、化學(xué)性質(zhì)還需要進(jìn)一步研究，”張雁教授說(shuō)，“但利用目前發(fā)現(xiàn)的PurZ等酶，我們能大量且低成本地合成這些酶，來(lái)合成這種DNA，進(jìn)而確認(rèn)并利用它的特性?！?/p>

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這些應(yīng)用或?qū)U(kuò)展到DNA折紙、DNA存儲(chǔ)技術(shù)和噬菌體治療等多個(gè)方面。這種DNA比傳統(tǒng)的DNA更穩(wěn)定，這或許能增加DNA折紙結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性以及折疊效率。而新堿基的加入或許能在DNA存儲(chǔ)中增強(qiáng)信息加密能力。

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在公共衛(wèi)生領(lǐng)域，超級(jí)耐藥菌的蔓延正在讓更多的抗生素失效。但是，噬菌體療法讓人們看到了一絲對(duì)抗耐藥菌的希望。不過(guò)，目前這種療法仍然存在一個(gè)阻礙，并不是所有的噬菌體都能起效，在治療某種特定的超級(jí)耐藥菌感染時(shí)，往往需要去各種環(huán)境中搜尋一些特定起效的噬菌體，這是一項(xiàng)極其繁瑣的工作。而這些含有新DNA的噬菌體，能無(wú)視細(xì)菌體內(nèi)的“免疫系統(tǒng)”，或許能在這一療法中發(fā)揮作用。

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參考文獻(xiàn)：

https://www.cell.com/molecular-cell/pdfExtended/S1097-2765(18)30460-X

https://www.nature.com/articles/270369a0

https://science.sciencemag.org/content/372/6541/520

https://science.sciencemag.org/content/372/6541/512

https://science.sciencemag.org/content/372/6541/516


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