《细胞》：揭开35年未知真相，科学家首次揭示细菌反转录子的自然功能

原创 代丝雨 奇点网 收录于话题#基因编辑1个

1984年，一群科学家在土壤中分离得到的细菌里发现了一些奇怪的短DNA单链[1]，更奇怪的是，每条DNA都有可以碱基互补的RNA存在。后来，科学家们搞清楚了它们的关系，赋予了这个过程名字——反转录。

再后来，更多的反转录子在各种微生物中被发现，反转录已经成为合成生物学以及基因工程等学科必不可少的工具。

然而我们依旧不知道，反转录最原本的功能。

对此，科学家们有诸多猜测，但始终没拿到最直接的证据。近期，《细胞》杂志发表的一项研究终于为我们揭开了真相，原来，反转录其实是细菌的一种免疫防御系统！[2]

更有趣的是，反转录的防卫并不是直接抵御外敌，而是当细菌无法抵抗噬菌体入侵的时候，主动启动细胞自杀，以避免感染在整个菌群的扩散。这种现象在多细胞生物中很常见，但在单细胞生物中还很少被提及。看来单细胞们也是拥有为群体牺牲的“大无畏精神”的。

反转录是细菌的自我防御系统

这项发现来得很凑巧，其实原本Weizmann研究所的Sorek和他的同事们并没有想要挑战这个“古老”谜题，而是想要寻找细菌中新的自我防御系统，就像CRISPR那种的。研究者们开发了一个计算机程序来完成筛选工作。

最终筛选出的基因中，一个片段引起了研究者们的注意，那段基因包含着一个反转录酶基因，还有一段并不编码任何已知细菌蛋白的DNA。

结合此前一些反转录酶参与细菌防御的报道，研究者们很快把重点转移到了反转录上，他们很快发现，反转录酶基因在位置上明显非常靠近细菌的防御系统，比如其中一个反转录酶的基因，在变形菌门和厚壁菌门的不同细菌中发现了102个同源物，其中60个（59%）都与抗噬菌体操纵子非常近。

由此，研究者们做出了一个假设，反转录很可能是是细菌的一种新的防御系统，其中包括组成反转录子的反转录酶和非编码RNA，以及另外一个附加的效应基因。

这倒也不难证实，测试一下拥有反转录系统与否对细菌抗噬菌体能力的影响，这项假设很快就得到了验证。

敲除或使反转录子突变，细菌抵抗噬菌体的能力大大下降了

研究者们在38167种细菌和古细菌种寻找了反转录防御系统的存在，发现14566个物种中都存在，涵盖20多个门，包括1928种反转录酶基因同源物，蓝藻和变形菌中更加常见。最常见的效应基因是核糖转移酶，其他还包括跨膜结构域（2TM）、ATP酶+HNH核酸酶、冷休克蛋白等等。

这套防御系统并不怎么积极，并不直接杀死噬菌体，而是通过顿挫感染（abortive infection）来抵御噬菌体，也就是让噬菌体无法有效地自我复制，感染很难扩散。当然这是在合适的条件下，如果噬菌体一来一大群，那也是拦不住的。

大筛选发现了很多同源的反转录防御系统

为了进一步搞清楚反转录防御的作用机制，研究者们选择了其中一种系统Ec48进行深入研究，Ec48对不同科的噬菌体都表现出了比较强的防御效果。Ec48的效应基因表达物包含两个跨膜螺旋，在其他的细菌防御系统中也比较常见，它的作用是破坏细胞膜的完整性，导致细菌在噬菌体完成复制周期之前就挂掉。

本来研究者们认为Ec48会通过识别噬菌体来起效，但经过一番研究，他们发现Ec48监控的并非敌人，而是“队友”，一种重要的细菌复合蛋白RecBCD。这个RecBCD真的有点厉害，它对DNA修复和抗噬菌体都有重要作用，它能够快速降解dsDNA，所以通常以线性形式注入细菌的噬菌体DNA一进来就会被RecBCD诱导降解。

鉴于RecBCD在细菌防御中的核心作用，很多噬菌体也专门进化出了针对RecBCD的策略，比如一些可以结合RecBCD并使其失活的蛋白。

而我们的Ec48就在这里出场了，它监控的正是RecBCD的活性。当RecBCD被噬菌体针对性抑制，Ec48防御系统就会激活效应基因，快速干掉感染细胞，以防感染进一步扩散。

可见拥有Ec48会使得噬菌体（红）无法进一步扩散

在2019年的EMBL会议上，也有一组科学家报道了在沙门氏菌中发现的反转录防御系统，这个系统会在噬菌体蛋白存在的情况下释放毒蛋白。

同为细菌的防御系统，反转录子也和CRISPR一样有成为基因编辑工具的潜力，而且根据特性的不同，反转录子还能够成为与CRISPR互补的好搭档。CRISPR在切割基因上非常拿手，但引入新基因就没那么方便，这正是反转录所擅长的。

早在2018年，斯坦福大学的科学家就已经开发出了一种CRISPR-Cas9+反转录酶的单碱基编辑器，名为CRISPEY。利用CRISPEY，科学家们成功制造出了成千上万个突变酵母，每个酵母之间只有一个碱基的差异。

类似的研究遗传学大牛乔治·丘奇和合成生物学大牛卢冠达的团队也在进行。

参考资料：

[1] Yee, T., Furuichi, T., Inouye, S., and Inouye, M. (1984). Multicopy singlestranded DNA isolated from a gram-negative bacterium, Myxococcus xanthus. Cell 38, 203–209.

[2]https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(20)31306-4?_returnURL=https%3A%2F%2Flinkinghub.elsevier.com%2Fretrieve%2Fpii%2FS0092867420313064%3Fshowall%3Dtrue#%20

[3]https://www.sciencemag.org/news/2020/11/microbes-mystery-dna-helps-defeat-viruses-and-has-genome-editing-potential

[4]https://www.genengnews.com/topics/genome-editing/new-anti-phage-defense-strategy-found-in-old-bacterial-structures/

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原标题：《《细胞》：揭开35年未知真相！科学家首次揭示细菌反转录子的自然功能，竟与CRISPR类似是一种免疫防御 | 科学大发现》

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