环境细菌新型逆转录子系统的发现：抗噬菌体防御机制解析与基因组编辑工具拓展

《PLOS Biology》：New retron systems from environmental bacteria identify triggers of anti-phage defense and expand tools for genome editing

　　本研究发现七种新型逆转录子系统，通过环境样本分离技术揭示了其独特的抗噬菌体防御机制。研究证实逆转录子（Retron）可通过噬菌体甲基转移酶触发防御反应，并成功将其改造为高效基因组编辑工具（Recombitron），为细菌免疫机制研究和生物技术应用提供了新范式。

　　

逆转录子（Retron）是细菌免疫系统的重要组成部分，通过逆转录酶（RT）、非编码RNA（ncRNA）和毒性效应蛋白的协同作用，在噬菌体感染时触发流产感染机制。传统研究中表征的逆转录子多来源于临床和实验室菌株，限制了对其自然多样性和功能机制的深入理解。本研究通过建立从环境样本中分离逆转录子宿主菌的创新流程，成功鉴定了七个新型逆转录子系统，并系统解析了其生物学特性与应用潜力。

环境样本中逆转录子宿主的分离鉴定

研究团队从不同气候和环境条件的土壤与水样中采集样本，通过LB培养基富集微生物后，采用聚丙烯酰胺凝胶电泳（PAGE）筛选具有特征性单链DNA（ssDNA）条带的菌株。经过多轮验证和基因组测序，最终确认了七个新型逆转录子宿主，包括Serratia quinivorans（Retron-Squ1）、Aeromonas salmonicida（Retron-Asa1）等。通过原核抗病毒防御定位器（PADLOC）工具分析，这些逆转录子可归类为II-A型（Squ1、Asa1、Hch1）和III-A型（Bpu1、Ppe1），而Sphingobacterium daejeonense来源的Retron-Sda1和Bacillus thuringiensis来源的Retron-Bth1则呈现非典型结构。

逆转录子在模式菌中的功能验证

为验证分离逆转录子系统的完整性，研究将其克隆至pET-21(+)载体并在大肠杆菌（Escherichia coli）bSLS114菌株中表达。实验显示，除Retron-Ppe1因组成型表达毒性无法转化外，其余逆转录子均能在诱导条件下产生RT-DNA。其中Retron-Asa1、Squ1和Bpu1还显示内源启动子在E. coli中具有活性。值得注意的是，Retron-Bth1的RT基因被II型内含子插入，但通过删除内含子可显著提升RT-DNA产量，表明其仍具备功能完整性。

新型逆转录子的抗噬菌体防御特性

通过测试12种E. coli噬菌体的防御效果，研究发现Retron-Asa1对Bas01、Bas20、Bas21和Bas51噬菌体具有防御作用，而Retron-Squ1可抵抗Bas01、Bas15、Bas20、Bas21、Bas51和T5噬菌体。防御效率与RT-DNA产量正相关，Retron-Hch1和Bpu1因表达量低未显示防御表型。进一步通过噬菌体逃逸突变体测序，发现Bas51的N6腺嘌呤甲基转移酶是触发Retron-Asa1和Squ1防御的关键因子。基因编辑实验证实，甲基转移酶突变（如D69G、D79G、T83P）会完全消除逆转录子防御能力，而糖苷酶突变仅影响Retron-Asa1的触发机制。

甲基化触发机制的深入解析

纳米孔测序显示，Bas51甲基转移酶特异性识别GATC motif并在噬菌体基因组中形成甲基化修饰。Retron-Asa1和Squ1的ncRNA序列中均含有该 motif，且位于逆转录区域。在天然宿主S. quinivorans中表达甲基转移酶可诱导Retron-Squ1依赖的生长抑制，而删除内源逆转录子（ΔSqu1）或提高其拷贝数均能调控毒性程度，证实了甲基化触发的生物学相关性。

特殊逆转录子系统的结构与功能

Retron-Sda1的III-A型RT基因与HipA样激酶和DUF3037结构域基因相邻，系统发育分析显示这是一种新型防御系统组合。尽管其RT-DNA产量正常，但防御功能完全依赖HipA激酶，DUF3037缺失则导致细胞毒性，表明该结构为独立于逆转录子的毒素-抗毒素系统。Retron-Bth1位于染色体外元件，其RT基因被II型内含子中断，但仍能通过可变剪接产生功能蛋白，体现了逆转录子系统的进化可塑性。

逆转录子在基因组编辑中的应用拓展

研究将环境来源的逆转录子改造为重组编辑工具（Recombitron），通过修饰ncRNA模板在E. coli中实现lacZ基因的精准编辑。其中Retron-Asa1编辑器效率最高（第二