上海
撰文丨nagashi
编辑丨王多鱼
排版丨水成文
早在1958年，DNA双螺旋的发现者之一——弗朗西斯·克里克（Francis Crick）提出了著名的中心法则，为遗传信息的传递构建一个大框架：DNA→RNA→蛋白质。根据这一法则，DNA作为基因模板，转录生成RNA，RNA再翻译为蛋白质。
1970年，科学家们在一些病毒中发现了逆转录酶，这种酶可以将RNA逆转录成DNA，这为中心法则做出了重要补充，揭示了遗传信息并不只是单向流动，也可以实现从RNA→DNA的逆向流动。
而最近，哥伦比亚大学的研究人员发现了一个更奇特的现象，一种存在于细菌中的逆转录酶将RNA作为模板来读取，并在DNA中生成全新基因。然后，这一基因重新转录成RNA，当细菌被病毒感染时，RNA被翻译成保护性蛋白。相比之下，病毒的逆转录酶并不会产生新基因，它们只是简单地将将RNA逆转录为DNA。
这项工作强调了细菌逆转录酶以RNA为模板创造新基因的基因组编码潜力，是对中心法则这一遗传信息传递方式发起挑战，也将改变人类看待基因组的方式！
这项新研究于2024年5月8日在线发表于预印本平台bioRxiv上，并在5月22日被 Nature 头条报道。
细菌通过部署多种免疫防御系统来抵御病毒和其他入侵者，比如强大的免疫防御系统CRISPR，可以感知并靶向切割外来核酸，这也被改造为现在广泛应用的CRISPR基因编辑工具。
此外，细菌中还有一个更神秘的防御系统——防御相关逆转录酶（Defense-associated reverse transcriptas，DRT） ，该系统包含一种逆转录酶和一小段没有任何明确功能的神秘RNA。这个RNA序列似乎没有编码任何蛋白质，但其DNA产物的身份和功能在很大程度上仍然未知。
为了弄清楚这个系统是如何工作的，哥伦比亚大学的Samuel Sternberg和Stephen Tang领导的研究团队探索了肺炎克雷伯菌（Klebsiella pneumoniae）的防御相关逆转录酶产生的DNA分子。他们发现了一段非常长的DNA序列，它由许多相同的重复片段组成，并且每个片段都与一段神秘的RNA相匹配。
在体内系统发现DRT2逆转录底物和产物
众所周知，RNA可以形成复杂的高级结构，例如较长的RNA链可以形成发夹结构，从而使得原本距离较远的部分可以彼此靠近。研究团队发现，肺炎克雷伯菌的逆转录酶在RNA序列周围重复“绕圈”，长RNA也像鞋带一样形成发夹结构，逆转录酶多次将相同的RNA分子写进DNA中，由此创造了一个重复的DNA序列。
这些重复的序列形成了一个可以编码蛋白质的开放阅读框（ORF）序列。研究团队将这个序列命名为Neo，意思是“永无止境的开放阅读框”（Never-Ending Open reading frame），致敬著名电影《黑客帝国》中的男主角救世主尼奥（Neo）。Neo缺少一个标志蛋白质末端序列，因此理论上可以无限制地翻译下去。
连接的cDNA产物包含一个永无止境的ORF——Neo
接下来，研究团队发现肺炎克雷伯菌在被病毒（噬菌体）感染后会触发Neo蛋白的产生，并导致自身停止分裂。目前还不清楚Neo如何阻止被病毒感染的细菌的生长，AlphaFold预测的长链状态下的Neo形成了一系列螺旋，实验表明分解这些形状会阻碍Neo的毒性作用。
Neo蛋白诱导程序性细胞休眠
总的来说，这项颠覆性研究表明，DRT2系统执行了一种前所未有的免疫防御机制，该机制涉及通过非编码RNA（ncRNA）的滚环逆转录来指导DNA的从头合成，并通过程序化模板跳跃产生串联的cDNA重复序列。噬菌体感染触发第二链cDNA合成，导致长双链DNA（dsDNA）的产生。
值得注意的是，这种DNA产物可以有效转录，产生mRNA编码无终止密码子的、永无止境的ORF——Neo，其翻译导致有效的细菌生长停滞，从而阻止病毒的复制、增殖和传播。
研究模式图
此外，系统发育分析和多种DRT2同源物的筛选进一步揭示了滚环逆转录和Neo蛋白功能的广泛保守性。这项工作强调了细菌逆转录酶以RNA为模板创造新基因的基因组编码潜力，对中心法则这一遗传信息传递方式发起挑战，并将改变我们看待基因组的方式！
参考资料：
1. https://doi.org/10.1101/2024.05.08.593200
2. https://www.nature.com/articles/d41586-024-01477-8
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