新颖核酸酶的发现与应用

主要完成人：朱斌、成锐、闫艳、余兵兵、王雄略

核酸酶是负责DNA与RNA合成与加工的重要分子机器，作为中心法则以及免疫攻防等关键生物学过程的核心执行者，在自然界中展现出高度的多样性。基于其功能特性开发的核酸工具酶，已成为基因重组、基因编辑、PCR、核酸测序、mRNA药物与疫苗等革命性生物技术的“引擎与芯片”。朱斌教授课题组立足于分子水平的生物多样性，致力于发掘前所未见的新型核酸酶功能，在原创发现的基础上揭示重要生物过程中的新机制，并利用新酶的功能特点开发前沿生物技术工具。

原核生物与病毒之间的对抗是自然界规模最大、最为激烈的生存斗争。目前已解析的原核抗病毒免疫系统，如限制修饰系统和CRISPR/Cas系统的酶功能和机制，不仅深化了人类对免疫机制的理解，更催生了诺奖级别的技术突破。近年来，基因组预测分析显示超过14%已测序的细菌基因组中含有CBASS（基于环寡核苷酸的抗噬菌体信号系统）。其中，E2-CBASS亚型的基因组成尤为引人注目：其第一个基因产物与人类cGAS同源——cGAS是人体先天免疫信号通路中合成关键信号分子的酶；第二个基因产物则与真核生物中的泛素结合酶E2同源，而泛素系统由多个酶组成，在真核细胞中通过泛素化修饰调控蛋白质的命运。这两种在真核生物中分别负责先天免疫和蛋白质命运调控的关键酶，竟在原核免疫系统中“相遇”，激发了朱斌课题组的浓厚兴趣。

图为E2-CBASS免疫系统机制。

通过整合生化、结构、分子、细胞及遗传学等多学科研究方法与合作，课题组揭示了E2-CBASS系统新颖的酶功能与免疫调控机制：系统中的cGAS能够合成一种与人cGAS产物相似但结构不完全相同的信号分子cGAMP，从而激活下游免疫效应蛋白；而单独的细菌E2蛋白，竟可执行真核生物中至少五个蛋白质协作才能完成的泛素化系统功能，催化形成共价多聚poly-cGAS，进而激活其合成cGAMP的免疫信号活性。该研究成果于2024年以长文形式发表于Nature Microbiology，突破了人们对原核免疫调控方式的传统认知，揭示了一种前所未有的、基于蛋白质共价修饰的免疫信号放大机制，为理解天然免疫与泛素系统的演化起源提供了关键的分子基础。同时，该研究还发现了目前已知唯一具有蛋白酶活性的E2结合酶，及其介导的独特蛋白质修饰机制。美国原核免疫领域权威科学家Philip Kranzusch等在Annual Review of Microbiology、Nature Reviews Immunology、Nature、Science中多次引用该工作，并将其列为一种新颖的免疫调控与蛋白质修饰方式。

20世纪70年代美国科学家发现的噬菌体T7 RNA聚合酶垄断RNA体外合成工具数十年，其功能缺陷已成为RNA研究与药物开发的技术瓶颈。朱斌团队经过十余年持续探索，建立了国际上唯一系统性研究单亚基RNA聚合酶的特色方向，发现了自80年代以来所有新型噬菌体单亚基RNA聚合酶及其启动子。在2024年发表于《Nucleic Acids Research》的研究中，团队揭示了T7 RNA聚合酶从DNA末端起始转录的新功能，并阐明了当前困扰mRNA药物与疫苗生产的体外转录副产物——长双链RNA（dsRNA）的真正来源机制。基于该机制，团队对T7 RNA聚合酶进行了人工改造，获得两种改造工具酶，能显著抑制dsRNA生成，大幅提升RNA合成纯度。其中一种工具酶已转让给我国mRNA原料酶销量第一的苏州近岸蛋白质科技股份有限公司，以商品名T7 RNA Polymerase 2.0（货号E122）全面应用于其RNA合成工具酶产品管线；另一种则由美国Ribotech公司以Clean T7™ RNA polymerase为商标投入商业化销售（ribotech .us ），成为我国原创核酸工具酶在欧美前沿生物技术领域实现商业化的罕见案例。

朱斌团队还在其他多个方向取得重要成果：发现与原核短Argonaute蛋白形成异源二聚体并受其调控的核酸酶，开发了基于该系统的核酸检测技术（2024年发表于Nucleic Acids Research）；发现新冠病毒nsp15蛋白作为双链RNA缺刻酶的新功能，为阐释病毒逃逸宿主免疫机制提供了关键线索（2024年发表于Nucleic Acids Research）；发现已知唯一同时具备解旋、引发、校正内切及DNA聚合四种功能的“全能”DNA复制酶（2025年发表于Nucleic Acids Research）。这些成果展现了团队在分子水平开展博物学研究的思路已取得丰硕回报。