剧情介绍
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。
“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。
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。
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。
撰文：石云雷 审校：杨心舟
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
