2024年5月23日Nature头条

标题： 奇怪的细菌通过编写新基因来挑战教科书

副标题： 细菌的防御系统打乱了标准的生命进程

附图：一种细菌的酶通过读取RNA到DNA形成新基因来彻底改变生物学（艺术家的插图）

主要内容：

 基因信息通常只有一个传递方向：通过将DNA作为模板来合成RNA，进而合成蛋白质。这个规则被写入教科书中，它看起来十分地简洁。直到1970科学家们在病毒中发现了逆转录酶可以将RNA逆转录为DNA，这与信息传递通路是反过来的！

 现在，科学家们发现了一个更加离奇的现象。一种细菌版本的逆转录酶通过阅读RNA来合成全新的基因DNA。之后这些基因会被重新转录回RNA来生成保护性的蛋白，以抵御病毒的入侵。通常，病毒的逆转录酶不会尝试新的基因，他们也仅仅是将RNA转换为DNA。

 巴黎巴斯德研究所的生物信息学家Aude Bernheim（没有参与这项研究）说：“这是一个疯狂的分子生物学机制，我怎么也想不到会有这样的机制。”

 ——在CRISPR上进一步

 细菌通过部署各种防御机制来抵御病毒的入侵，比如强大的基因编辑工具CRISPR。这是一个神秘的防御机制，它包含从一段神秘的短RNA逆转录而来的DNA基因，而机制未明：这个序列看上去不像编码任何蛋白的。

 为了搞明白这里面的机理，一个由纽约哥伦比亚大学分子生物学家Stephen Tang和生物化学家Samuel Sternberg共同领导的队伍搜索了肺炎克雷伯菌中通过逆转录酶逆转录而来的DNA。他们发现了一个非常长的DNA序列中含有大量的相同的重复序列。这些重复序列的每一段都与一段谜之RNA的序列相吻合。

 ——环路

 为了解释这个现象，作者指出，长RNA可以形成发卡结构，这可以将两个蛋白拉近。研究人员发现肺炎克雷伯菌的逆转录酶围着RNA重复生成“圈”，它可以像鞋带一样围绕自己，将相同的RNA多次写入DNA。这造成了DNA片段的重复。

 重复的DNA片段组成开放阅读框，研究人员将序列命名为neo，这是一个无止境的开放阅读框，因为它缺少终止密码子。所以在理论上，它是不会停的。他们之后发现病毒感染是生成Neo蛋白的关键，这个蛋白可以阻止细胞分裂。这个没有被同行评议的结果于5月8日被发表在预印本平台bioRxiv上。

 研究人员表示，关于Neo蛋白是如何阻止感染进程的机制还不清楚。Neo蛋白的预测3D结构表明它会形成一系列的螺旋，而它的长度取决于多少RNA被翻译。实验表明破坏这些结构会阻碍Neo蛋白的毒性作用。病毒感染是如何生成 Neo蛋白的机制也不清楚，Bernheim表示：“这是我迫切地想知道的。”

 ——奇妙的生命

 逆转录酶从前被认为只是用来复制基因的，现在发现其居然可以创造新的基因，这让许多研究人员目瞪口呆。“这像是外星人的生物学机理，” ，马德里康普顿斯大学的计算化学家Israel Fernandez在X上写道。

 “他们的发现是令人震惊的，”，西班牙的分子生物学家Nicolás Toro García说，这会帮助科学家通过这个系统研发新的分子生物学技术。

 这一发现甚至让Sternberg感到敬畏：“这会改变我们看待基因组的方式。”

词汇表：

bizarre adj. 奇异的

defy v. 违抗

scramble v. 打乱

one-up on …… 在……上领先一步

deploy v. 部署

myriad adj. 大量的

juggernaut adj. 强大的

chunk n. 数据块

shoelace n. 鞋带

peer reviewed n. 同行评议

helices n. 螺旋

stymied vt. 阻碍

gobsmacked adj. 目瞪口呆的

原文链接：https://doi.org/10.1038/d41586-024-01477-8