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，它们可能带来那些改变？这些问题的答案也被逐一揭开。

撰文 | 石云雷

审校 | 杨心舟

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S-2L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S-2L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S-2L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S-2L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，S-2L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S-2L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S-2L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——SH-Ab 15497。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的合作，张雁教授等人最终确认了噬菌体SH-Ab 15497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。

参考文献：

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