1953年，克裡克和沃森在《自然》上發文揭示瞭DNA的雙螺旋結構，並於1962年和英國分子生物學傢莫裡斯·威爾金斯分享瞭諾貝爾生理學或醫學獎。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個氫鍵，C和G之間形成3個氫鍵，用於維持DNA結構的穩定。

除瞭我們熟悉的構成DNA的4種堿基（A、T、C和G）之外，近些年來，科學傢發現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，這些修飾後的堿基在DNA中占比極小。

近日，在3篇發表於《科學》的論文中，中國和法國的科學傢發現大量噬菌體（一類病毒）體內的DNA與其他生物並不相同。其DNA結構也是穩定的雙螺旋結構，但構成DNA的腺嘌呤（A堿基）被完全替換成另一種堿基——二氨基嘌呤，簡稱為Z堿基。其中一篇論文的通訊作者，天津大學藥物科學與技術學院的張雁教授表示，這種堿基也是除瞭A、T、C和G外，在自然界中能構成DNA雙螺旋結構的第5種堿基。

許多噬菌體的DNA由Z、T、C和G堿基構成（圖片來源於論文）

“這個新堿基打破瞭此前克裡克等人定義的經典的DNA雙螺旋結構，我們可以把它稱為能構建DNA雙螺旋的‘第5種堿基’，”在接受《環球科學》的采訪時，張雁說，“在研究中，我們發現這種DNA的穩定性比傳統的DNA更高，我們推測Z和T或許形成瞭3個氫鍵。這也意味DNA還具有新的物理和化學性質。”而另外兩篇由法國科學傢發表的文章，也證實瞭張雁教授等人的研究。

無人問津的研究

1977年，Z堿基首次在一篇發表於《自然》雜志的文章中露面。當時，蘇聯科學傢分析瞭一種能感染藍綠藻的S-2L噬菌體（也稱為噬藻體，cyanophage）的基因。根據光譜分析數據，他們發現其中存在除T、C和G之外的另一種堿基，並通過酸水解實驗證實這種未知的堿基為二氨基嘌呤（Z）。

首次發現該現象後，他們通過酶解實驗進行瞭重復驗證，並確認S-2L噬菌體的DNA確實是由這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。不過，此後數十年一直沒有相關的研究進展。

由於長期從事酶學和生物基礎代謝研究，張雁教授等人註意到瞭S-2L噬菌體。當他們重新審視這篇文章時，疑問也浮現出來——為什麼這種噬菌體的DNA中含有一種新的堿基？這種堿基是怎麼合成的？

在新研究中，他們發現S-2L噬菌體在入侵宿主後，會利用自身基因合成的兩種酶——dATPase和PurZ。PurZ的作用十分關鍵，它能和細菌中的酶一起發揮作用，促進二氨基嘌呤脫氧核苷酸（如dZTP）的形成。隨後，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。

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。

4種來自噬菌體的酶（紅色）在DNA（含Z堿基）合成過程中的作用。（圖片來源於論文）

為什麼這種噬菌體需要一個新的堿基呢？這與它們的生存方式密切相關。噬菌體能吸附在細菌表面，像註射器一樣將自身的DNA註射入細菌體內。但在細菌中實現大量繁殖之前，它首先需要面對細菌體內的“免疫系統”——限制性內切酶。當外來的DNA入侵時，細菌的限制性內切酶能切割這些外來DNA上特定的基因序列，促進其降解。

當DNA序列中的一種堿基被徹底替換時，細菌中的限制性內切酶無法對其識別，細菌就沒有防禦措施，隻能等待被噬菌體占據瞭。並不隻有S-2L噬菌體能利用這種新堿基，在發表於《科學》的文章中，張雁等人發現瞭100多種能表達PurZ和相關基因的噬菌體，其中大部分來自短尾噬菌體科（Podoviridae）和長尾噬菌體科（Siphoviridae）。他們推測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堿基替換瞭，因此具有這種DNA的噬菌體可能遠不止這些。而要證明這一猜想，他們還需要一種新的噬菌體來進行驗證。

從頭開始

為瞭驗證這一猜想，他們選擇瞭一種能感染不動桿菌的噬菌體——SH-Ab 15497。由於噬菌體DNA序列的特殊性，隻能用化學分析方法——液相色譜和納米孔測序技術——進行測序。

通過與上海科技大學趙素文教授的合作，張雁教授等人最終確認瞭噬菌體SH-Ab 15497的DNA中的堿基組成為Z、T、G和C。在培養噬菌體時，他們發現當它們感染在細菌後，能很快將細菌裂解，這意味著細菌的“免疫系統”失效瞭，而新的DNA組成並沒有影響噬菌體的繁殖。

在《科學》雜志的另外兩篇論文中，一項研究通過一種能感染弧菌的噬菌體，證實瞭PurZ在合成Z堿基中的關鍵作用。另外，PurZ似乎與古細菌中PurA具有相似性。另一篇文章則顯示長尾噬菌體將PurZ酶基因連接到DNA上的DNA聚合酶，與細菌含有的DNA聚合酶I具有很高的相似性。這一發現暗示，在很早之前，Z堿基或許和A堿基同時存在於細菌體內。

可以解決的問題

Z堿基的發現不僅撼動瞭克裡克和沃森在1953年提出的DNA雙螺旋結構，還能推動更多實用性研究的發展。“雖然目前我們隻瞭解到這種DNA分子結構更穩定瞭，其他的物理、化學性質還需要進一步研究，”張雁教授說，“但利用目前發現的PurZ等酶，我們能大量且低成本地合成這些酶，來合成這種DNA，進而確認並利用它的特性。”

這些應用或將擴展到DNA折紙、DNA存儲技術和噬菌體治療等多個方面。這種DNA比傳統的DNA更穩定，這或許能增加DNA折紙結構的穩定性以及折疊效率。而新堿基的加入或許能在DNA存儲中增強信息加密能力。

在公共衛生領域，超級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瞭一絲對抗耐藥菌的希望。不過，目前這種療法仍然存在一個阻礙，並不是所有的噬菌體都能起效，在治療某種特定的超級耐藥菌感染時，往往需要去各種環境中搜尋一些特定起效的噬菌體，這是一項極其繁瑣的工作。而這些含有新DNA的噬菌體，能無視細菌體內的“免疫系統”，或許能在這一療法中發揮作用。

撰文 | 石雲雷

審校 | 楊心舟

題圖來源：NIAID

參考文獻：

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

本文最初發表於“環球科學”公眾號上。

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