在人類解碼遺傳資訊的歷史上，法蘭西斯·克歷克（Francis Crick）在1957年首次提出中心法則，為遺傳資訊在生物大分子之間傳遞的順序構建一個框架：DNA→RNA→蛋白質。
根據這一法則，DNA可以自我復制，同時DNA作為基因樣版，轉錄生成RNA，RNA再被轉譯為蛋白質，這個遺傳資訊傳遞的過程是單向的。在RNA病毒中，RNA作為樣版進行自我復制，逆轉錄酶則可以將RNA逆轉錄為DNA，這與通常的遺傳資訊傳遞方向相反。
近日，這個故事迎來了新的走向，美國哥倫比亞大學的科學家Stephen Tang和Samuel H. Sternberg首次發現一種細菌逆轉錄酶以RNA為樣版透過滾環逆轉錄（Rolling-circle Reverse Transcription，RCRT）的方式，參與合成全新的編碼蛋白的基因。
相比之下，病毒逆轉錄酶不會產生新基因，只是將遺傳資訊從RNA轉移到DNA。研究者指出，這一發現挑戰了傳統的沿基因組DNA單向傳遞的遺傳資訊範式。
這項研究得到了【自然】網站的報道，需要指出的是，本研究目前發表在生物預印本網站bioRxiv上，仍在等待同行評議的結果。
細菌防禦噬菌體感染的免疫系統
這項研究的物件是防禦相關逆轉錄酶（Defense-associated Reverse Transcriptase, DRT）系統，DRT系統被劃分為9個亞組（DRT1-9）。先前的實驗表明，DRT系統在防範噬菌體（感染細菌的一類病毒）侵染方面發揮著重要作用。
研究團隊聚焦於肺炎克雷伯菌的DRT2系統，其抵禦噬菌體感染的機制尚不明確。該亞組結構簡單，包含一個編碼逆轉錄酶的基因和一個非編碼RNA（non-coding RNA, ncRNA），後者此前未發現明確功能。那麽，為什麽DRT2具有防禦噬菌體的功能呢？由於逆轉錄酶的作用是將RNA序列轉化為互補DNA（complementary DNA，cDNA），研究人員提出一個假設：逆轉錄酶合成的cDNA產物可能在防範噬菌體感染的過程中發揮重要作用。
研究機制示意圖：該研究揭示了DRT2抵禦噬菌體感染的機制
（圖片來源：參考文獻1）
「永無止境的開放閱讀框」
DRT2系統ncRNA鏈的一部份與另一部份堿基互補配對，形成雙鏈的「柄」，而未配對的部份則形成「環」，整體外觀類似發夾，稱為發夾結構。逆轉錄酶將ncRNA 作為cDNA的樣版，跨越發夾結構環狀部份的起始端和末尾端不斷重復繞圈，持續進行逆轉錄，將相同的RNA序列多次復制到cDNA中。這個獨特的過程稱為滾環逆轉錄，生成了一段串聯重復的單鏈cDNA序列。
有趣的是，逆轉錄生成的單個cDNA片段並不能編碼蛋白質，但當形成連續重復的序列時，才能實作蛋白合成。這是因為單個片段中缺少標誌轉譯起點的起始密碼子（在DNA上是ATG，對應mRNA序列是AUG），當核糖體辨識不到起始密碼子，就不會啟動蛋白合成。在一輪cDNA生成後，新生的cDNA鏈與樣版分離，其末端會重新與樣版起始位點的上遊互補結合，從而在兩次重復的連線處多出了一個堿基。這一過程導致每完成三輪逆轉錄便產生一個起始密碼子，從而啟動蛋白質合成。
重復序列上編碼蛋白合成的片段稱為開放閱讀框（Open Reading Frames，ORF）。這段ORF非常特殊，因為它僅有起始密碼子，缺少終止密碼子。理論上，這個序列可以編碼一個無限長的蛋白質。因此，研究團隊將該序列命名為「neo」，意為「永無止境的開放閱讀框」（never-ending open reading frame）。
來自外星的生物學
一旦噬菌體感染細菌，會觸發cDNA第二鏈的合成，形成雙鏈DNA序列，隨後轉錄產生大量不同長度的mRNA，並轉譯出Neo蛋白。
正是這些Neo蛋白迅速阻止細菌生長，誘導其進入程式性休眠狀態，從而阻止噬菌體的復制、增殖和傳播，起到保護細菌群體的作用。Neo蛋白的α螺旋二級結構對其功能至關重要，幹擾這一螺旋結構會阻礙Neo的毒性作用。
這項工作揭示了一種前所未有的DRT2防禦系統抗病毒免疫機制。該機制揭示了遺傳資訊在DNA和RNA載體間復雜的轉換行為，擴充套件了中心法則新的認知。
同時也挑戰了基因沿著序列線性編碼的範式，增加基因組序列上蛋白質編碼方式的復雜性。「這看起來像是來自外星生物的生物學，」馬德裏康普頓斯大學的計算化學家Israel Fernandez在X上寫道。
RNA從頭創造基因的發現令人眼前一亮，這可能改變我們看待基因組的方式。在人類基因組中，可能還有更多類似Neo的非典型蛋白編碼基因等待被發現。另一個細菌防禦系統——CRISPR/Cas系統，已經成為重要的基因編輯工具，令人期待科研人員能否基於DRT系統開發出新的基因工具，又能給生物學帶來怎樣的新變革呢？
參考文獻：
[1]Tang, Stephen, et al. "De novo gene synthesis by an antiviral reverse transcriptase." bioRxiv (2024): 2024-05.
[2]Callaway, Ewen. "Bizarre bacteria defy textbooks by writing new genes." Nature (2024).
出品：科普中國
作者：姜旋（生物學博士）
監制：中國科普博覽
