研究人员意外发现细菌会在基因组外产生临时的、自由漂浮的基因
哥伦比亚大学的研究人员发现，细菌可以在染色体外创造出自由漂浮的临时基因，这对长期以来认为所有遗传指令都包含在基因组内的观点提出了挑战。这一发现为人类存在类似基因提供了可能性，有可能彻底改变我们对遗传学和基因编辑的理解。
自 20 世纪 60 年代首次破译基因密码以来，我们的基因就像一本打开的书。通过将染色体理解为线性字母序列（类似于小说中的句子），我们可以识别基因组中的基因，并了解基因密码的变化如何影响健康。
人们认为，这种线性生命法则支配着从人类到细菌的所有生命形式。但是，哥伦比亚大学研究人员的一项新研究表明，细菌打破了这一规则，可以创造出自由漂浮和短暂存在的基因，从而提出了在我们的基因组之外也存在类似基因的可能性。
"这一发现颠覆了染色体拥有细胞用来生产蛋白质的整套指令的观念，"瓦格罗斯内外科医学院生物化学与分子生物学副教授塞缪尔-斯滕伯格（Samuel Sternberg）说，他与医学院的医学博士/博士生斯蒂芬-唐（Stephen Tang）共同领导了这项研究。"我们现在知道，至少在细菌中，可能还有其他指令没有保留在基因组中，但它们对细胞的存活至关重要"。
几个月前，当这篇论文作为预印本首次发表时，科学界的反应已经成为新闻。在《自然-新闻》的一篇文章中，科学家们称这一发现为"外星生物学"、"令人吃惊"和"令人震惊"。
"它一再让我们难以置信，"唐说，"随着机制逐渐显现，我们从怀疑到惊讶。"
细菌与病毒之间的争斗已经持续了数个世纪，病毒试图将自己的DNA注入细菌基因组，而细菌则设计出狡猾的方法（如 CRISPR）来保护自己。许多细菌的防御机制仍未被探索，但却可能带来新的基因组编辑工具。
斯特恩伯格和唐选择探索的细菌防御系统是一个奇怪的系统：该系统涉及一段功能未知的RNA和一种逆转录酶，后者是一种从 RNA 模板合成 DNA 的酶。细菌中最常见的防御系统是切割或降解传入的病毒 DNA，"因此我们对通过 DNA 合成来防御基因组的想法感到困惑，"唐说。
为了了解这种奇特的防御系统是如何工作的，唐首先创造了一种新技术来识别逆转录酶产生的 DNA。他发现的DNA很长，但具有重复性，包含防御系统RNA分子中一个短序列的多个拷贝。
他随后意识到，RNA 分子的这一部分折叠成一个环，反转录酶在这个环上绕了无数圈，从而产生了重复的 DNA。斯滕伯格说："这就像你打算复印一本书，但复印机却开始一遍又一遍地复印同一页纸。"
研究人员最初认为，他们的实验可能出了问题，或者是酶出了差错，生成的 DNA 没有意义。就在这时，斯蒂芬进行了一番巧妙的挖掘，发现 DNA 分子是一个功能齐全、自由浮动的瞬时基因。
研究人员发现，该基因编码的蛋白质是细菌抗病毒防御系统的关键部分。病毒感染会触发这种蛋白质（研究人员称之为 Neo）的产生，从而阻止病毒复制和感染邻近细胞。
斯滕伯格说："如果在高等生物的细胞中也发现了类似的基因，那将是改变游戏规则的重大发现。可能有一些基因或DNA序列并不存在于人类的23条染色体中。也许它们只在特定的环境、特定的发育或遗传背景下产生，但却提供了我们正常生理所依赖的关键编码信息。"
目前，该实验室正在利用 唐的方法寻找由逆转录酶产生的人类染色体外基因。
"人类基因组中有数千个逆转录酶基因，其中许多基因的功能尚未被发现。"斯滕伯格说："还有一个巨大的空白有待填补，它可能揭示出一些更有趣的生物学现象。"
虽然利用 CRISPR 编辑技术的基因疗法已进入临床试验阶段（去年批准了一种用于镰状细胞的疗法），但 CRISPR 并不是完美的技术。
将 CRISPR 与逆转录酶相结合的新技术为基因组工程师提供了更大的能力。唐说："反转录酶能在CRISPR切割的位点写入新信息，而单靠CRISPR是做不到的。但每个都在使用几十年前发现的同一种反转录酶。"
产生 Neo 的逆转录酶具有某些特性，这可能使其成为实验室基因组编辑和创造新基因疗法的更好选择。细菌中还存在更多神秘的逆转录酶，等待我们去探索。
斯滕伯格说："我们认为，细菌可能是逆转录酶的宝库，一旦我们了解了它们的工作原理，它们就会成为新技术的起点。"
编译自/ScitechDaily
