在人类解码遗传信息的历史上，弗朗西斯·克里克（Francis Crick）在1957年首次提出中心法则，为遗传信息在生物大分子之间传递的顺序构建一个框架：DNA→RNA→蛋白质。
根据这一法则，DNA可以自我复制，同时DNA作为基因模板，转录生成RNA，RNA再被翻译为蛋白质，这个遗传信息传递的过程是单向的。在RNA病毒中，RNA作为模板进行自我复制，逆转录酶则可以将RNA逆转录为DNA，这与通常的遗传信息传递方向相反。
近日，这个故事迎来了新的走向，美国哥伦比亚大学的科学家Stephen Tang和Samuel H. Sternberg首次发现一种细菌逆转录酶以RNA为模板通过滚环逆转录（Rolling-circle Reverse Transcription，RCRT）的方式，参与合成全新的编码蛋白的基因。
相比之下，病毒逆转录酶不会产生新基因，只是将遗传信息从RNA转移到DNA。研究者指出，这一发现挑战了传统的沿基因组DNA单向传递的遗传信息范式。
这项研究得到了《自然》网站的报道，需要指出的是，本研究目前发表在生物预印本网站bioRxiv上，仍在等待同行评议的结果。
细菌防御噬菌体感染的免疫系统
这项研究的对象是防御相关逆转录酶（Defense-associated Reverse Transcriptase, DRT）系统，DRT系统被划分为9个亚组（DRT1-9）。先前的实验表明，DRT系统在防范噬菌体（感染细菌的一类病毒）侵染方面发挥着重要作用。
研究团队聚焦于肺炎克雷伯菌的DRT2系统，其抵御噬菌体感染的机制尚不明确。该亚组结构简单，包含一个编码逆转录酶的基因和一个非编码RNA（non-coding RNA, ncRNA），后者此前未发现明确功能。那么，为什么DRT2具有防御噬菌体的功能呢？由于逆转录酶的作用是将RNA序列转化为互补DNA（complementary DNA，cDNA），研究人员提出一个假设：逆转录酶合成的cDNA产物可能在防范噬菌体感染的过程中发挥重要作用。
研究机制示意图：该研究揭示了DRT2抵御噬菌体感染的机制 （图片来源：参考文献1）
“永无止境的开放阅读框”
DRT2系统ncRNA链的一部分与另一部分碱基互补配对，形成双链的“柄”，而未配对的部分则形成“环”，整体外观类似发夹，称为发夹结构。逆转录酶将ncRNA 作为cDNA的模板，跨越发夹结构环状部分的起始端和末尾端不断重复绕圈，持续进行逆转录，将相同的RNA序列多次复制到cDNA中。这个独特的过程称为滚环逆转录，生成了一段串联重复的单链cDNA序列。
有趣的是，逆转录生成的单个cDNA片段并不能编码蛋白质，但当形成连续重复的序列时，才能实现蛋白合成。这是因为单个片段中缺少标志翻译起点的起始密码子（在DNA上是ATG，对应mRNA序列是AUG），当核糖体识别不到起始密码子，就不会启动蛋白合成。在一轮cDNA生成后，新生的cDNA链与模板分离，其末端会重新与模板起始位点的上游互补结合，从而在两次重复的连接处多出了一个碱基。这一过程导致每完成三轮逆转录便产生一个起始密码子，从而启动蛋白质合成。
重复序列上编码蛋白合成的片段称为开放阅读框（Open Reading Frames，ORF）。这段ORF非常特殊，因为它仅有起始密码子，缺少终止密码子。理论上，这个序列可以编码一个无限长的蛋白质。因此，研究团队将该序列命名为“neo”，意为“永无止境的开放阅读框”（never-ending open reading frame）。
来自外星的生物学
一旦噬菌体感染细菌，会触发cDNA第二链的合成，形成双链DNA序列，随后转录产生大量不同长度的mRNA，并翻译出Neo蛋白。
正是这些Neo蛋白迅速阻止细菌生长，诱导其进入程序性休眠状态，从而阻止噬菌体的复制、增殖和传播，起到保护细菌群体的作用。Neo蛋白的α螺旋二级结构对其功能至关重要，干扰这一螺旋结构会阻碍Neo的毒性作用。
这项工作揭示了一种前所未有的DRT2防御系统抗病毒免疫机制。该机制揭示了遗传信息在DNA和RNA载体间复杂的转换行为，扩展了中心法则新的认知。
同时也挑战了基因沿着序列线性编码的范式，增加基因组序列上蛋白质编码方式的复杂性。“这看起来像是来自外星生物的生物学，”马德里康普顿斯大学的计算化学家Israel Fernandez在X上写道。
RNA从头创造基因的发现令人眼前一亮，这可能改变我们看待基因组的方式。在人类基因组中，可能还有更多类似Neo的非典型蛋白编码基因等待被发现。另一个细菌防御系统——CRISPR/Cas系统，已经成为重要的基因编辑工具，令人期待科研人员能否基于DRT系统开发出新的基因工具，又能给生物学带来怎样的新变革呢？
参考文献：
[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：科普中国
作者：姜旋（生物学博士）
监制：中国科普博览