近年来，CRISPR技术因其在治疗遗传疾病和改善食品方面的应用而备受关注。然而，我们往往忽略了CRISPR系统最初的用途——细菌用来抵御噬菌体感染的天然防御机制。为了实现免疫，CRISPR系统（以及限制-修饰系统）通过靶向并降解DNA来保护细菌。然而，自CRISPR发现以来的十年间，科学家们在细菌中发现了许多其他多样的抗病毒系统。其中一种被称为防御相关逆转录酶（DRT）系统，利用DNA合成而非切割来抵御病毒。然而，DNA合成如何导致抗病毒防御一直是未解之谜。
现在，哥伦比亚大学生物化学与分子生物学副教授兼霍华德·休斯医学研究所（HHMI）研究员Sam Sternberg博士的实验室揭示了一种DRT系统的抗病毒免疫机制。研究表明，该DRT通过细胞生长停滞来实现群体水平的抗病毒免疫。更具体地说，在噬菌体感染后，逆转录酶会合成特定的基因，这些基因编码的蛋白质会帮助细胞停止生长。
这一研究成果发表在《Science》杂志上，题为《De novo gene synthesis by an antiviral reverse transcriptase》。文章的机制出乎意料，令人深思。北卡罗来纳州立大学食品科学教授Rodolphe Barrangou博士指出，这项研究扩展了噬菌体抵抗的武器库，特别是在生长停滞方面，因为宿主细胞通过停止生长而不是直接产生抗性来应对感染。
Sternberg博士补充道：“许多细菌免疫系统通过杀死或抑制感染细胞的生长，以拯救更广泛的群体。虽然这一现象已经被许多研究团队仔细研究过，但我们的工作揭示了一种全新的利他机制，其中的生长停滞是通过一个新的、**de novo**（从头合成）的基因——我们称之为neo基因——的产生而触发的。”
DRT家族首次于四年前由麻省理工学院神经科学教授兼HHMI研究员Feng Zhang博士的实验室发现。这一发现发表在《Science》杂志上，题为《Diverse enzymatic activities mediate antiviral immunity in prokaryotes》。Sternberg实验室的研究人员试图理解DRT系统活性背后的机制。通过使用肺炎克雷伯菌，研究团队由研究生Stephen Tang带领，首先发现逆转录酶与DRT系统中逆转录酶基因上游的非编码RNA（ncRNA）区域结合，从而合成相应的cDNA。噬菌体感染不仅增加了cDNA的水平，还推动了第二链的合成，产生了双链DNA。更令人惊讶的是，序列分析显示，cDNA产物是串联重复的序列，并且只有在噬菌体存在的情况下才出现。使用Oxford Nanopore Technology（ONT）进行的长读长测序揭示，这些cDNA可以长达数千碱基对，并包含许多120碱基对的重复序列。研究团队得出结论：逆转录酶正在执行滚环逆转录活性。
Stephen Tang and Sam Sternberg, PhD
那么，这如何导致细胞停滞呢？当数据表明DNA被转录为串联的RNA并编码一个基因时，研究团队离答案更近了一步。这个基因被研究人员命名为Neo（意为“无尽的开放阅读框”），其编码的Neo蛋白在噬菌体感染后表达，并导致细胞生长停滞。
Barrangou博士指出：“这项研究的有趣之处在于RNA介导的新基因生成，这挑战了生物学中心法则的单向性。更多的是生物学法则的演变，而非挑战，但确实引人深思。这提醒我们为什么必须研究宿主-病毒的相互作用，以发现新的遗传机制。”
Sternberg博士总结道：“这个项目让我们意识到在细菌免疫反应中，有一些隐藏的基因被特意用来对抗病毒感染。逆转录酶这一强大的酶类家族通过从非编码RNA中生成这些基因，现在我们正忙于寻找在其他细胞和生物中可能生成的其他额外染色体编码基因，包括人类。”
研究团队接下来将继续探索的问题包括：Neo蛋白如何诱导生长停滞？噬菌体感染是如何被感知的？这一方法在多大程度上具有保守性？此外，Sternberg博士还指出，这项工作不仅仅局限于克雷伯菌或细菌领域。他还补充道，这一机制，特别是串联重复序列的发现，挑战了我们对基因注释和基因大小的假设，也挑战了传统的遗传模型，因为Neo基因是额外染色体编码的。最后，他强调这项研究还挑战了中心法则，因为neo基因不仅是逆转录产生的，然后还被转录回RNA。
这项研究为我们了解细菌的抗病毒防御提供了新的视角，并可能为将来的抗病毒策略开发提供启示。
参考文献：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adq0876
编辑：王洪
排版：李丽
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