Nat Chem Biol |?王連榮/陳實(shí)聯(lián)合破解噬菌體胞嘧啶超修飾合成密碼

隨著全球范圍內(nèi)抗生素耐藥感染形勢日益嚴(yán)峻，新型抗生素研發(fā)步履維艱，噬菌體療法作為一種潛在替代方案備受矚目。然而，其臨床應(yīng)用面臨的核心挑戰(zhàn)之一，是噬菌體與宿主細(xì)菌之間永無止境的“軍備競賽”。細(xì)菌進(jìn)化出CRISPR-Cas、限制 -修飾 等多重精密防御系統(tǒng)以切割外來DNA，而噬菌體則演化出紛繁復(fù)雜的DNA修飾策略，為自身基因組披上化學(xué)“隱形斗篷”，以逃逸宿主識別。解析這些前所未見的DNA修飾機(jī)制，對于深入理解生命進(jìn)化博弈的邏輯、構(gòu)建更穩(wěn)定的工業(yè)微生物底盤、乃至開發(fā)更高效的噬菌體療法，都具有 重要 意義。

2026年 4 月 1 日，深圳市兒童醫(yī)院、深圳市轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)研究院（深圳大學(xué)第一附屬醫(yī)院） 和 武漢大學(xué)緊密合作，王連榮教授 團(tuán)隊(duì) 和陳實(shí)教授 團(tuán)隊(duì) 聯(lián)合在Nature Chemical Biology在線發(fā)表了題為Dual Cytosine Modification via Hydroxylation and Arabinofuranosylation in Phages的研究論文，完整揭示了一種由噬菌體編碼的全新胞嘧啶超修飾系統(tǒng)的合成機(jī)制，為理解微生物攻防提供了全新視角。

王連榮教授團(tuán)隊(duì)與陳實(shí)教授 團(tuán)隊(duì) 長期致力于解析微生物表觀遺傳修飾及其介導(dǎo)的 免疫 防御與拮抗網(wǎng)絡(luò)【1,2】。系統(tǒng)研究了DNA磷硫酰化修飾及其介導(dǎo)的宿主免疫系統(tǒng)， 發(fā)現(xiàn) 該修飾及其耦合的防御系統(tǒng)在微生物界廣泛存在【3】。利用單分子測序、熒光成像及質(zhì)譜定量技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了磷硫酰化修飾的可視化與精準(zhǔn)定位，并繪制了其全基因組圖譜【4,5】。該修飾不僅與N6-甲基腺嘌呤（6mA）修飾共存互作，也參與基因表達(dá)調(diào)控等生理過程【6,7】。更為重要的是，磷硫酰化修飾可作為一套高效細(xì)菌免疫系統(tǒng)的“自我”標(biāo)簽，幫助防御系統(tǒng)區(qū)分“自我”與“非我”DNA，從而特異性抵御噬菌體入侵。其中，Dnd系統(tǒng)介導(dǎo)的雙鏈修飾可與多種效應(yīng)器組合，形成從簡單（如單個(gè)感知蛋白DndI）到復(fù)雜（如切割復(fù)合物DndFGH）的防御模塊【8,9】。還揭示了噬菌體對抗此類系統(tǒng)的一種廣譜策略：即編碼一種蛋白質(zhì)激酶，通過磷酸化同時(shí)抑制宿主的磷硫酰化、CRISPR-Cas及多種新型防御系統(tǒng)【10】。此外，在弧菌中發(fā)現(xiàn)了由SspABCD介導(dǎo)的單鏈磷硫酰化修飾系統(tǒng)（ Ⅱ 型），其與 切刻 酶SspE協(xié)同形成防御屏障，賦予宿主廣譜噬菌體抗性，并已成功應(yīng)用于構(gòu)建抗噬菌體工程菌株【11-13】。

聯(lián)合 研究團(tuán)隊(duì) 的研究 還拓展至古菌與嗜熱微生物，發(fā)現(xiàn)了由 tdpABC 編碼的、極為精簡的新型磷硫酰化系統(tǒng)（ Ⅲ 型），其中僅需TdpC單個(gè)蛋白即可完成修飾，并揭示了其通過DNA腺苷化中間體進(jìn)行的 化學(xué)生物學(xué)修飾途徑【14】。近期，還解析了Ppl系統(tǒng)通過感知NTP耗竭與特定DNA末端雙重信號、激活“流產(chǎn)感染”以抵抗噬菌體的新 模 式。這 些 系列工作層層深入，揭示了微生物防御與反防御網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性與精巧性【15】。

為進(jìn)一步 挖掘新型DNA修飾， 聯(lián)合 研究團(tuán)隊(duì)將目光投向噬菌體基因組，最終在大腸桿菌噬菌體HY126中發(fā)現(xiàn)了一種全新的D-阿拉伯呋喃糖基化-5-羥基胞嘧啶修飾，并完整解析了其生物合成基因簇（Afh）及多步 化學(xué)生物學(xué) 催化途徑。該超修飾的合成始于對底物的精密“預(yù)制” ： 噬菌體編碼的dCTP酶（AfhA）將宿主dCTP水解為dCMP，既為下游反應(yīng)提供專用底物，也避免了普通胞嘧啶摻入，保證了修飾的“純凈性” ； 隨后，一種新型的黃素依賴單加氧酶AfhB催化關(guān)鍵步驟，在dCMP的胞嘧啶C5位引入羥基，生成5hdCMP。與經(jīng)典T4噬菌體羥甲基化途徑不同，此羥基化中間體并不直接進(jìn)入DNA合成，而是進(jìn)入一個(gè)前所未有的“ 復(fù)制前 糖基化”步驟。

為此，噬菌體進(jìn)化出一套巧妙的“糖 基 供體車間”：AfhE與AfhF協(xié)同，將宿主來源的D-阿拉伯糖-5-磷酸轉(zhuǎn)化為高能糖 基 供體UDP-D-阿拉伯呋喃糖。接著，核苷酸糖基轉(zhuǎn)移酶AfhC利用該糖 基 供體，在5hdCMP的羥基上添加第一個(gè)阿拉伯糖 基 ，生成 Ara f -5h dCMP。隨后， 噬菌體編碼的 激酶AfhD將其逐步磷酸化為 Ara f -5h dCTP。重要的是，噬菌體DNA聚合酶能夠直接利用這種經(jīng)過修飾的 Ara f -5h dCTP進(jìn)行基因組復(fù)制，從而合成出初次糖基化的DNA ，而AfhA不能水解這種具有復(fù)雜修飾度的dCTP類似物 。噬菌體還編碼了DNA糖基轉(zhuǎn)移酶AfhG，它以已完成復(fù)制的DNA為底物，在已存在的 Ara f -5h dC上通過β-1,3糖苷鍵添加第二個(gè)阿拉伯糖 基 ，將大部分單糖基化位點(diǎn)轉(zhuǎn)化為最終的雙糖基化產(chǎn)物 di-Ara f -5h dC。這套從核苷酸前體“預(yù)修飾”到DNA“后修飾”的兩步糖基化策略，為噬菌體基因組構(gòu)筑了強(qiáng)大的物理與化學(xué)屏障，使其能有效抵抗多種限制性內(nèi)切酶的切割。

圖1：D-阿拉伯呋喃糖基化-5-羥基胞嘧啶修飾合成機(jī)制模式圖

該研究不僅 揭示 了一種全新的DNA堿基修飾化學(xué)結(jié)構(gòu)（D-阿拉伯呋喃糖基化-5-羥基胞嘧啶），更重要 的是 完整揭示了一條從“零件制備”到“成品組裝”的多步酶促合成通路，闡明了噬菌體為逃逸宿主防御而演化出的、極具創(chuàng)造性的“化學(xué) 生物學(xué) 解決方案”。 這項(xiàng)工作揭示了一種全新的抗宿主防御范式，拓展了核酸修飾化學(xué)生物學(xué)的已知邊界，深化了對微觀生命“軍備競賽”復(fù)雜性的理解，并為未來設(shè)計(jì)具有廣譜抗性的工程化噬菌體提供了的功能元件與理論藍(lán)圖。

何宇博士 后 為本文第一作者，王連榮教授和陳實(shí)教授為共同通訊作者。

文章鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41589-026-02150-z

免費(fèi)文章鏈接：

https://rdcu.be/fa9Zq

制版人：十一

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