近年來，CRISPR技術(shù)因其在治療遺傳疾病和改善食品方面的應(yīng)用而備受關(guān)注。然而，我們往往忽略了CRISPR系統(tǒng)最初的用途——細菌用來抵御噬菌體感染的天然防御機制。為了實現(xiàn)免疫，CRISPR系統(tǒng)（以及限制-修飾系統(tǒng)）通過靶向并降解DNA來保護細菌。然而，自CRISPR發(fā)現(xiàn)以來的十年間，科學家們在細菌中發(fā)現(xiàn)了許多其他多樣的抗病毒系統(tǒng)。其中一種被稱為防御相關(guān)逆轉(zhuǎn)錄酶（DRT）系統(tǒng)，利用DNA合成而非切割來抵御病毒。然而，DNA合成如何導(dǎo)致抗病毒防御一直是未解之謎。

現(xiàn)在，哥倫比亞大學生物化學與分子生物學副教授兼霍華德·休斯醫(yī)學研究所（HHMI）研究員Sam Sternberg博士的實驗室揭示了一種DRT系統(tǒng)的抗病毒免疫機制。研究表明，該DRT通過細胞生長停滯來實現(xiàn)群體水平的抗病毒免疫。更具體地說，在噬菌體感染后，逆轉(zhuǎn)錄酶會合成特定的基因，這些基因編碼的蛋白質(zhì)會幫助細胞停止生長。

這一研究成果發(fā)表在《Science》雜志上，題為《De novo gene synthesis by an antiviral reverse transcriptase》。文章的機制出乎意料，令人深思。北卡羅來納州立大學食品科學教授Rodolphe Barrangou博士指出，這項研究擴展了噬菌體抵抗的武器庫，特別是在生長停滯方面，因為宿主細胞通過停止生長而不是直接產(chǎn)生抗性來應(yīng)對感染。

Sternberg博士補充道：“許多細菌免疫系統(tǒng)通過殺死或抑制感染細胞的生長，以拯救更廣泛的群體。雖然這一現(xiàn)象已經(jīng)被許多研究團隊仔細研究過，但我們的工作揭示了一種全新的利他機制，其中的生長停滯是通過一個新的、**de novo**（從頭合成）的基因——我們稱之為neo基因——的產(chǎn)生而觸發(fā)的。”

DRT家族首次于四年前由麻省理工學院神經(jīng)科學教授兼HHMI研究員Feng Zhang博士的實驗室發(fā)現(xiàn)。這一發(fā)現(xiàn)發(fā)表在《Science》雜志上，題為《Diverse enzymatic activities mediate antiviral immunity in prokaryotes》。Sternberg實驗室的研究人員試圖理解DRT系統(tǒng)活性背后的機制。通過使用肺炎克雷伯菌，研究團隊由研究生Stephen Tang帶領(lǐng)，首先發(fā)現(xiàn)逆轉(zhuǎn)錄酶與DRT系統(tǒng)中逆轉(zhuǎn)錄酶基因上游的非編碼RNA（ncRNA）區(qū)域結(jié)合，從而合成相應(yīng)的cDNA。噬菌體感染不僅增加了cDNA的水平，還推動了第二鏈的合成，產(chǎn)生了雙鏈DNA。更令人驚訝的是，序列分析顯示，cDNA產(chǎn)物是串聯(lián)重復(fù)的序列，并且只有在噬菌體存在的情況下才出現(xiàn)。使用Oxford Nanopore Technology（ONT）進行的長讀長測序揭示，這些cDNA可以長達數(shù)千堿基對，并包含許多120堿基對的重復(fù)序列。研究團隊得出結(jié)論：逆轉(zhuǎn)錄酶正在執(zhí)行滾環(huán)逆轉(zhuǎn)錄活性。

Stephen Tang and Sam Sternberg, PhD

那么，這如何導(dǎo)致細胞停滯呢？當數(shù)據(jù)表明DNA被轉(zhuǎn)錄為串聯(lián)的RNA并編碼一個基因時，研究團隊離答案更近了一步。這個基因被研究人員命名為Neo（意為“無盡的開放閱讀框”），其編碼的Neo蛋白在噬菌體感染后表達，并導(dǎo)致細胞生長停滯。

Barrangou博士指出：“這項研究的有趣之處在于RNA介導(dǎo)的新基因生成，這挑戰(zhàn)了生物學中心法則的單向性。更多的是生物學法則的演變，而非挑戰(zhàn)，但確實引人深思。這提醒我們?yōu)槭裁幢仨氀芯克拗?病毒的相互作用，以發(fā)現(xiàn)新的遺傳機制?！?/p>

Sternberg博士總結(jié)道：“這個項目讓我們意識到在細菌免疫反應(yīng)中，有一些隱藏的基因被特意用來對抗病毒感染。逆轉(zhuǎn)錄酶這一強大的酶類家族通過從非編碼RNA中生成這些基因，現(xiàn)在我們正忙于尋找在其他細胞和生物中可能生成的其他額外染色體編碼基因，包括人類?！?/p>

研究團隊接下來將繼續(xù)探索的問題包括：Neo蛋白如何誘導(dǎo)生長停滯？噬菌體感染是如何被感知的？這一方法在多大程度上具有保守性？此外，Sternberg博士還指出，這項工作不僅僅局限于克雷伯菌或細菌領(lǐng)域。他還補充道，這一機制，特別是串聯(lián)重復(fù)序列的發(fā)現(xiàn)，挑戰(zhàn)了我們對基因注釋和基因大小的假設(shè)，也挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)的遺傳模型，因為Neo基因是額外染色體編碼的。最后，他強調(diào)這項研究還挑戰(zhàn)了中心法則，因為neo基因不僅是逆轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生的，然后還被轉(zhuǎn)錄回RNA。

這項研究為我們了解細菌的抗病毒防御提供了新的視角，并可能為將來的抗病毒策略開發(fā)提供啟示。

參考文獻：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adq0876

編輯：王洪

排版：李麗