Retrons是原核生物广泛存在的遗传元件，可通过逆转录特异性ncRNA生成msDNA，并与效应蛋白共同参与抗噬菌体防御。典型retron编码逆转录酶和结构化ncRNA，生成的msDNA与msrRNA形成DNA–RNA杂合物（图1A）。不同retron搭配多种效应蛋白，如NAD⁺水解酶或Septu系统中的PtuA（ATPase）和PtuB（内切酶），共同发挥防御作用（图1B，C）。Septu系统是最常见的抗噬菌体防御系统之一，但其激活机制此前未知。来自马萨诸塞大学医学院的傅天民团队解析了Retron–Septu的冷冻电镜结构，并发现其通过复合物解体介导的激活机制发挥功能。
研究人员首先通过表达Ec78-Septu与Ec83-Septu的全操纵子（包括ncRNA、RT、PtuA和PtuB基因）（图1B，C），纯化后发现它们均能形成含有RT、PtuA与PtuB的大分子复合物。进一步利用冷冻电镜解析了两种复合物的结构，分辨率分别为3.01 Å（Ec78-Septu）和 3.47 Å（Ec83-Septu）（图1D，E）。两个系统架构一致，均形成不对称核蛋白复合物，含1个RT、1个msDNA、2个PtuAB 亚复合物（PtuA:PtuB 均为 2:1，分别称PtuABI和PtuABII）（图1D-G）。空间排布上，Ec83-Septu的RT位于PtuABI 上方，借msdDNA与PtuABI紧密连接（图1F-H）；Ec78-Septu的RT也在PtuABI顶部，但其msdDNA与PtuABII紧密结合（图1D）。最终，两系统的所有组分均形成发挥抗噬菌体防御功能的超分子复合物。
图1. Retron与Septu组装形成超分子复合物
此前认为Ec83的msDNA不含RNA，但本研究证实其同时含msrRNA与 msdDNA（2A-C），整体呈 “高尔夫球杆”状，其中msrRNA为“球杆头”、msdDNA为 “球杆杆身” （图2B）。仅部分片段可见且与Ec83的msDNA在部分区域存在结构差异；Ec83 RT呈 “右手折叠” 结构，由手指（fingers）、手掌（palm）和拇指（thumb）结构域组成，并形成一个协调核酸的中央裂隙（图2D-F）。其通过静电作用与msDNA结合， msrRNA嵌入RT 裂缝、msdDNA被RT的电正性区域固定，为RT结合Septu模块搭建结构平台（图2D）；此外，msrRNA中高度保守的套索状RSLb-ssRb结构，会通过与RT相互作用及空间阻断（如阻断新核苷酸进入RT催化位点）终止逆转录（图2F-G），这一机制也为Retron 基基因组编辑工具的设计提供了参考。
图2. msrRNA与msdDNA通过结合RT调控逆转录过程
结构分析显示，在Retron-Septu系统中，PtuA四聚体通过进化出的NTHB与 HHM 结构域形成中央孔道，不对称地结合msDNA与msrRNA（图1D–G，3A、B）。Dimer I 的两个原聚体与msdDNA骨架广泛相互作用，而Dimer II仅部分接触（图3A–F），其中PtuAIb还利用带正电残基稳定结合msdDNA和msrRNA（图3A），含K452/K454 的环作用于msrRNA（图 3F），PtuAIa靠静电作用结合msdDNA相关区域（图 3E）。整体上，关键残基突变会破坏这种核酸协调并导致抗噬菌体功能丧失（图3G），说明 PtuA 对msDNA/msrRNA的不对称调控对防御至关重要。
图3. PtuA 通过不对称结合msDNA稳定自抑制复合物
生物信息学分析显示，虽然Retron-Septu 系统中的RT较为保守，但PtuA和PtuB 序列多样且与RT共同进化，提示三者功能相关。核酸酶活性实验显示，完整的Retron-Septu复合物处于自抑制状态（图4A），但PtuAB二聚体具有强烈的核酸酶活性，能够特异性切割单链DNA（ssDNA），而不作用于双链DNA或RNA（图4B，C）。时间过程核酸酶实验表明，PtuA负责结合DNA并递交底物，PtuB则执行切割；ATP可通过抑制 PtuA的DNA结合降低其活性（图4E）。
在功能上，Retron Ec83-Septu能够阻断噬菌体T5的复制过程，依赖于PtuB的活性位点（图4F）；突变PtuB的催化残基会完全丧失抗噬菌体能力（图4G）。此外，过量表达PtuAB在有抗生素筛选时会抑制宿主生长（图4H），推测其通过切割质粒ssDNA 干扰质粒复制，从而导致菌株失去抗性。
图4. Retrons Ec83-Septu 通过 PtuAB 介导的单链 DNA 切割抑制噬菌体复制
结构与生化分析显示，自抑制状态的该系统复合物可解离出活性PtuAB亚复合物（图 5A-F），研究人员推测msdDNA降解是PtuAB解离的关键触发步骤。通过突变 PtuA的Walker B基序和PtuB活性位点，成功解析突变型PtuAB结构（图5C），发现其 DNA结合区构象与解离状态的PtuAB、PtuA二聚体相似（图5D），提示DNA结合诱导构象重排，且完整复合物中PtuA含ADP，解离组件中含ATP（图5D），这些结果直接证明PtuA在完整的 retron Ec83-Septu 复合物中具有更高效的 ATP 水解能力。此外，二硫键交联的复合物因无法解离而丧失抗噬菌体活性，进一步证明解离是激活必需步骤（图5E）。
最后研究人员提出了这样一个模型：Retron-Septu系统通过“阻滞-释放”机制实现抗噬菌体防御（图 5F）：静息时PtuAB 被滞留于自抑制超分子复合物中，噬菌体感染触发复合物解离，释放的PtuAB通过切割ssDNA发挥抗噬菌体作用。
图5. retron Ec83-Septu系统通过解离释放 PtuAB启动抗噬菌体防御
