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可能的 “诺奖”级发现:揭露细菌中的神秘分子
【字体: 大 中 小 】 时间:2020年11月09日 来源:
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半单链DNA和半RNA是一类在许多细菌中发现的奇特杂交结构,它们被统称为“反转子(retrons)”。自从35年前被发现以来,研究人员已经学会了用retrons酶来生产单链DNA,但奇怪的是,无人知晓它们在原始出处细菌中的作用。
半单链DNA和半RNA是一类在许多细菌中发现的奇特杂交结构,它们被统称为“反转子(retrons)”。自从35年前被发现以来,研究人员已经学会了用retrons来生产单链DNA,但奇怪的是,无人知晓它们在原始出处细菌中的作用。
11月5日,发表在《Cell》杂志的一篇论文,来自魏茨曼科学研究所的小组报告了这个长期存在的谜团:反转子是免疫系统的“卫士”,是细菌用来保护自己不受病毒感染的一种新策略,这一策略与植物免疫系统惊人地相似。此外,它们还发现了许多新的反转子,未来,这些基因也许可能会被添加到基因组编辑工具包中。
这项研究是诞生于分子遗传学系Rotem Sorek教授实验室,由Adi Millman、Aude Bernheim博士和Avigail Stokar Avihail领导。Sorek等人启初并没有想要解决反转子谜团。他们在寻找细菌免疫系统的新元素,特别是帮助细菌抵御病毒感染的元素。最近他们发现,细菌的免疫系统基因喜欢在所谓的防御岛的基因组中聚集。当他们在一个细菌防御岛上发现了反转子的独特特征后,他们决定进一步调查。
他们认为反转子肯定参与了保护细菌免受噬菌体病毒的侵害,当研究人员更仔细地观察位于已知防御基因附近的其他反转子时,他们发现这些反转子在生理和功能上总是与另一个基因相连。当伴随的基因或反转子基因发生突变时,细菌在对抗噬菌体感染方面就不那么成功了。
研究人员随后开始在防御岛上寻找更多这样的复合体。最终,他们发现了大约5000个反转子,其中许多是新的,存在于众多细菌物种的不同防御岛上。
为了检查这些反转子是否也作为免疫机制发挥作用,研究人员将许多反转子逐个移植到缺乏反转子的实验室细菌细胞中。正如他们所怀疑的那样,他们在大量细胞中发现,反转子保护了细菌免受噬菌体感染。
原理是什么?研究小组将注意力集中在一种特殊的反转子上,并追踪它在噬菌体感染时的作用,发现它的功能是使受感染的细胞自杀。细胞自杀,曾经被认为只属于多细胞生物阻止广泛感染的最后手段——如果自杀机制的作用足够快,在病毒完成自我复制并扩散到其他细胞之前杀死细胞。
进一步的研究表明,反转子并不感知噬菌体的入侵,而是监视免疫系统的另一部分,即RecBCD,这是细菌的第一道防线。如果它意识到噬菌体已经篡改了细胞的RecBCD,反转子就会通过第二个连接的基因激活它的程序,杀死受感染的细胞并保护剩下的菌落。
“这是一个聪明的策略,我们发现它的工作方式与植物细胞中的保护机制类似,”Sorek说。“就像感染植物的病毒一样,噬菌体配备了多种抑制剂来阻断细胞免疫反应的各个部分。反转子就像已知存在于植物中的一种保护机制,不需要能够识别所有可能的抑制剂,只需要掌握一种特定免疫复合物的功能。受感染的植物细胞采用杀死叶或根的一小部分,以拯救植物本身。由于大多数细菌生活在菌落中,这种策略可以促进群体的生存,即使牺牲了个体成员的利益。”
反转子对生物技术非常有用,因为它们从一段RNA开始,反转子序列的模板可以替换成任何需要的DNA序列,有时还可以与从细菌免疫工具箱(CRISPR)借用的另一种工具结合使用,以各种方式操纵基因。
在新鉴定出的不同的反转子基因列表中,可能隐藏着更多的能够为特定基因编辑需求提供更好模板的基因。
原文检索:Bacterial Retrons Function In Anti-Phage Defense
(生物通:伍松)
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