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(xì)菌用來抵御噬菌體感染的天然防御機(jī)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(hù)細(xì)菌。然而，自CRISPR發(fā)現(xiàn)以來的十年間，科學(xué)家們在細(xì)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(xué)生物化學(xué)與分子生物學(xué)副教授兼霍華德·休斯醫(yī)學(xué)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(jī)制。研究表明，該DRT通過細(xì)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(xì)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(jī)制出乎意料，令人深思。北卡羅來納州立大學(xué)食品科學(xué)教授Rodolphe Barrangou博士指出，這項研究擴(kuò)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(xì)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(xì)菌免疫系統(tǒng)通過殺死或抑制感染細(xì)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(tuán)隊仔細(xì)研究過，但我們的工作揭示了一種全新的利他機(jī)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(xué)院神經(jīng)科學(xué)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(jī)制。通過使用肺炎克雷伯菌，研究團(tuán)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(jìn)行的長讀長測序揭示，這些cDNA可以長達(dá)數(shù)千堿基對，并包含許多120堿基對的重復(fù)序列。研究團(tuán)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(xì)胞停滯呢？當(dāng)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(tuán)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(dá)，并導(dǎo)致細(xì)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(xué)中心法則的單向性。更多的是生物學(xué)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(jī)制?！?/p>

Sternberg博士總結(jié)道：“這個項目讓我們意識到在細(xì)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(xì)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(tuán)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(xì)菌領(lǐng)域。他還補充道，這一機(jī)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(xì)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(xiàn)：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adq0876

編輯：王洪

排版：李麗