和病毒一樣，一種有點(diǎn)寄生的稱為逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子（retrotransposon）的DNA序列被發(fā)現(xiàn)借用細(xì)胞自身的機(jī)制來實(shí)現(xiàn)它本身的目標(biāo)。

在一項(xiàng)新的研究中，來自美國杜克大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子劫持了細(xì)胞DNA修復(fù)功能中鮮為人知的一部分，將自身封閉成環(huán)狀，然后形成匹配的雙鏈。這一發(fā)現(xiàn)顛覆了40年來的傳統(tǒng)觀點(diǎn)，即這些環(huán)只是不良基因復(fù)制的無用副產(chǎn)品。它還可能為癌癥、病毒感染和免疫反應(yīng)提供新的見解。相關(guān)研究結(jié)果于2023年7月12日在線發(fā)表在Nature期刊上，論文標(biāo)題為“Retrotransposons hijack alt-EJ for DNA replication and eccDNA biogenesis”。

逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子是大約7000個(gè)堿基長的DNA片段，它們將自己復(fù)制并粘貼到植物和動(dòng)物基因組的不同部分。通過這種方式，它們?cè)谥貙慏NA和調(diào)節(jié)細(xì)胞如何使用它的基因方面發(fā)揮作用。逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子被認(rèn)為是驅(qū)動(dòng)進(jìn)化的基因變異和創(chuàng)新的幕后推手，并且遺傳自父母雙方。

許多研究已表明，染色體外的這些DNA環(huán)在某種程度上與癌癥的發(fā)生和進(jìn)展有關(guān)，部分原因是它們的DNA序列中含有導(dǎo)致癌癥的致癌基因。導(dǎo)致艾滋病的逆轉(zhuǎn)錄病毒HIV也形成環(huán)狀DNA。

論文通訊作者、杜克大學(xué)藥理學(xué)與癌癥生物學(xué)助理教授Zhao Zhang說，“我認(rèn)為這些DNA環(huán)是基因組動(dòng)態(tài)、動(dòng)物進(jìn)化甚至影響我們?nèi)粘Ｉ畹脑慈?。但我們?nèi)蕴幱诹私馑鼈兊墓δ艿倪^程中?！?/p>

逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子非常普遍---它們占人類基因組的40%，占玉米基因組的75%以上---但它們?nèi)绾螐?fù)制自己以及復(fù)制到哪里一直是個(gè)謎。

Zhang舉著一本厚厚的關(guān)于逆轉(zhuǎn)錄病毒的教科書，他在這項(xiàng)新的研究中參考了這本教科書。他說，書上說，這些環(huán)狀序列是“通過重新組合線性DNA的兩端而產(chǎn)生的，只是一個(gè)死胡同，是復(fù)制失敗的副產(chǎn)品”。

在早些時(shí)候?qū)壜训难芯恐?，Zhang及其研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)確定遺傳性的逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子利用支持果蠅卵的“營養(yǎng)細(xì)胞（nurse cell）”作為工廠，制造許多自身的拷貝，然后分布在果蠅發(fā)育中的卵的整個(gè)基因組中。這一模型系統(tǒng)使得他們能夠進(jìn)一步放大研究范圍，以了解更多有關(guān)逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子的信息。

在這項(xiàng)新的研究中，他們意外地發(fā)現(xiàn)大多數(shù)新添加的逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子都是以這種環(huán)狀形式存在的，而不是整合到宿主的基因組中。然后，他們進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)，逐一敲除細(xì)胞的DNA修復(fù)機(jī)制，以弄清這些環(huán)是如何形成的，以及在哪里形成的。

答案揭曉了： 一種鮮為人知的能夠修復(fù)雙鏈斷裂的稱為替代性末端連接DNA修復(fù)（alternative end-joining DNA repair, alt-EJ）的DNA修復(fù)機(jī)制。逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子序列利用這種宿主修復(fù)機(jī)制的這一部分將其單鏈DNA的末端縫合在一起，然后利用其DNA合酶（DNA synthase）構(gòu)建出匹配的雙鏈。此外，他們還證實(shí)，這一過程也適用于人類細(xì)胞。

工程化的HMS-Beagle報(bào)告序列主要形成染色體外環(huán)狀DNA（eccDNA）。圖片來自Nature, 2023, doi:10.1038/s41586-023-06327-7。

因此，逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子并不是馬馬虎虎的意外；它們實(shí)際上是劫持了細(xì)胞分子機(jī)器的一部分來制造更多的自身，就像病毒所做的那樣。

Zhang說，“我們的發(fā)現(xiàn)實(shí)際上推翻了教科書上的理論。我們發(fā)現(xiàn)，教科書中提出的重組事件對(duì)逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子形成DNA環(huán)并不重要。相反，是alt-EJ途徑驅(qū)動(dòng)了這些DNA環(huán)的產(chǎn)生?！?/p>

Zhang說，“我的實(shí)驗(yàn)室目前正試圖測(cè)試所形成的DNA環(huán)是否可以作為制造新基因組插入的中間物。我們還在測(cè)試這些DNA環(huán)是否能被我們的免疫系統(tǒng)感知以觸發(fā)免疫反應(yīng)?！?/p>

Zhang說，“在逆轉(zhuǎn)錄病毒領(lǐng)域和逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子領(lǐng)域，人們認(rèn)為它們形成的環(huán)狀DNA只是一個(gè)小事件，但我們的研究將環(huán)狀DNA帶到了中心舞臺(tái)。人們應(yīng)該更多地關(guān)注環(huán)狀DNA?！?（生物谷 Bioon.com）

參考資料：

Fu Yang et al. Retrotransposons hijack alt-EJ for DNA replication and eccDNA biogenesis. Nature, 2023, doi:10.1038/s41586-023-06327-7.