经典双螺旋结构更新了！科学这些病毒的DNA，拥有第5种碱基

　　噬菌体（图片来源：NIAID）1977年，一项发表于《自然》的研究发现一种噬菌体的DNA中不存在A碱基，而是完全被一种新的碱基二氨基嘌呤（Z碱基）替换了，后者在DNA双链中与T碱基配对。
　　最近，关于噬菌体Z碱基的研究迎来了新进展。《科学》杂志上的3篇文章共同揭示了一个惊人的结果：至少有100多种噬菌体能在宿主体内合成Z碱基，且其DNA中都使用了Z和T、C和G的配对形式。这种新碱基为何会出现，它们可能带来哪些改变？这些问题的答案也被逐一揭开。
　　1953年，克里克和沃森在《自然》上发文揭示了DNA的双螺旋结构，并于1962年和英国分子生物学家莫里斯威尔金斯分享了诺贝尔生理学或医学奖。DNA由两条反向平行的脱氧核糖核酸单链组成，含有4种碱基，其中A和T之间形成2个氢键，C和G之间形成3个氢键，用于维持DNA结构的稳定。
　　除了我们熟悉的构成DNA的4种碱基（A、T、C和G）之外，近些年来，科学家发现DNA双链上的碱基能够被修饰，例如甲基、甲酰基和羧基修饰等。不过，这些修饰后的碱基在DNA中占比极小。
　　近日，在3篇发表于《科学》的论文中，中国和法国的科学家发现大量噬菌体（一类病毒）体内的DNA与其他生物并不相同。其DNA结构也是稳定的双螺旋结构，但构成DNA的腺嘌呤（A碱基）被完全替换成另一种碱基二氨基嘌呤，简称为Z碱基。其中一篇论文的通讯作者，天津大学药物科学与技术学院的张雁教授表示，这种碱基也是除了A、T、C和G外，在自然界中能构成DNA双螺旋结构的第5种碱基。
　　许多噬菌体的DNA由Z、T、C和G碱基构成（图片来源于论文）
　　这个新碱基打破了此前克里克等人定义的经典的DNA双螺旋结构，我们可以把它称为能构建DNA双螺旋的‘第5种碱基’，在接受《环球科学》的采访时，张雁说，在研究中，我们发现这种DNA的稳定性比传统的DNA更高，我们推测Z和T或许形成了3个氢键。这也意味DNA还具有新的物理和化学性质。而另外两篇由法国科学家发表的文章，也证实了张雁教授等人的研究。无人问津的研究
　　1977年，Z碱基首次在一篇发表于《自然》杂志的文章中露面。当时，苏联科学家分析了一种能感染蓝绿藻的S2L噬菌体（也称为噬藻体，cyanophage）的基因。根据光谱分析数据，他们发现其中存在除T、C和G之外的另一种碱基，并通过酸水解实验证实这种未知的碱基为二氨基嘌呤（Z）。
　　首次发现该现象后，他们通过酶解实验进行了重复验证，并确认S2L噬菌体的DNA确实是由这4种碱基的脱氧核糖核苷酸组成，其中Z与T的含量接近，在DNA中配对。不过，此后数十年一直没有相关的研究进展。
　　由于长期从事酶学和生物基础代谢研究，张雁教授等人注意到了S2L噬菌体。当他们重新审视这篇文章时，疑问也浮现出来为什么这种噬菌体的DNA中含有一种新的碱基？这种碱基是怎么合成的？
　　在新研究中，他们发现S2L噬菌体在入侵宿主后，会利用自身基因合成的两种酶dATPase和PurZ。PurZ的作用十分关键，它能和细菌中的酶一起发挥作用，促进二氨基嘌呤脱氧核苷酸（如dZTP）的形成。随后，S2L噬菌体自身的DNA聚合酶能以它为底物，在新合成的噬菌体DNA中添加Z碱基。
　　而噬菌体DNA中A碱基的消失，还需要依赖dATPase。它能直接降解含有A碱基的脱氧核苷酸，阻止其参与DNA的合成。除S2L噬菌体以外，一些噬菌体还能合成酶DUF550，它既能和PurZ协同作用，提高噬菌体合成dZTP的效率，还具有部分降解含有A碱基的脱氧核苷酸的功能。
　　4种来自噬菌体的酶（红色）在DNA（含Z碱基）合成过程中的作用。图片来源于论文
　　为什么这种噬菌体需要一个新的碱基呢？这与它们的生存方式密切相关。噬菌体能吸附在细菌表面，像注射器一样将自身的DNA注射入细菌体内。但在细菌中实现大量繁殖之前，它首先需要面对细菌体内的免疫系统限制性内切酶。当外来的DNA入侵时，细菌的限制性内切酶能切割这些外来DNA上特定的基因序列，促进其降解。
　　当DNA序列中的一种碱基被彻底替换时，细菌中的限制性内切酶无法对其识别，细菌就没有防御措施，只能等待被噬菌体占据了。并不只有S2L噬菌体能利用这种新碱基，在发表于《科学》的文章中，张雁等人发现了100多种能表达PurZ和相关基因的噬菌体，其中大部分来自短尾噬菌体科（Podoviridae）和长尾噬菌体科（Siphoviridae）。他们推测如果一种噬菌体的基因组中含有合成PurZ等基因，就可以证明它的DNA中A碱基完全被Z碱基替换了，因此具有这种DNA的噬菌体可能远不止这些。而要证明这一猜想，他们还需要一种新的噬菌体来进行验证。从头开始
　　为了验证这一猜想，他们选择了一种能感染不动杆菌的噬菌体SHAb15497。由于噬菌体DNA序列的特殊性，只能用化学分析方法液相色谱和纳米孔测序技术进行测序。
　　和Z碱基合成相关的酶基因在多种噬菌体基因组中的分布（图片来源于论文）
　　通过与上海科技大学赵素文教授和伊利诺伊大学赵惠民团队的合作，张雁教授等人最终确认了噬菌体SHAb15497的DNA中的碱基组成为Z、T、G和C。在培养噬菌体时，他们发现当它们感染在细菌后，能很快将细菌裂解，这意味着细菌的免疫系统失效了，而新的DNA组成并没有影响噬菌体的繁殖。
　　在《科学》杂志的另外两篇论文中，一项研究通过一种能感染弧菌的噬菌体，证实了PurZ在合成Z碱基中的关键作用。另外，PurZ似乎与古细菌中PurA具有相似性。另一篇文章则显示长尾噬菌体将PurZ酶基因连接到DNA上的DNA聚合酶，与细菌含有的DNA聚合酶I具有很高的相似性。这一发现暗示，在很早之前，Z碱基或许和A碱基同时存在于细菌体内。可以解决的问题
　　Z碱基的发现不仅撼动了克里克和沃森在1953年提出的DNA双螺旋结构，还能推动更多实用性研究的发展。虽然目前我们只了解到这种DNA分子结构更稳定了，其他的物理、化学性质还需要进一步研究，张雁教授说，但利用目前发现的PurZ等酶，我们能大量且低成本地合成这些酶，来合成这种DNA，进而确认并利用它的特性。
　　这些应用或将扩展到DNA折纸、DNA存储技术和噬菌体治疗等多个方面。这种DNA比传统的DNA更稳定，这或许能增加DNA折纸结构的稳定性以及折叠效率。而新碱基的加入或许能在DNA存储中增强信息加密能力。
　　在公共卫生领域，超级耐药菌的蔓延正在让更多的抗生素失效。但是，噬菌体疗法让人们看到了一丝对抗耐药菌的希望。不过，目前这种疗法仍然存在一个阻碍，并不是所有的噬菌体都能起效，在治疗某种特定的超级耐药菌感染时，往往需要去各种环境中搜寻一些特定起效的噬菌体，这是一项极其繁琐的工作。而这些含有新DNA的噬菌体，能无视细菌体内的免疫系统，或许能在这一疗法中发挥作用。
　　撰文：石云雷审校：杨心舟
　　参考文献：
　　https：www。cell。commolecularcellpdfExtendedS10972765（18）30460X
　　https：www。nature。comarticles270369a0
　　https：science。sciencemag。orgcontent3726541520
　　https：science。sciencemag。orgcontent3726541512
　　https：science。sciencemag。orgcontent3726541516