“中心法則”的前世今生

說(shuō)到“中心法則”（Central Dogma），想必大家定不會(huì)陌生，這一現(xiàn)代生命科學(xué)的基本定律由英國(guó)著名生物學(xué)家 Francis Crick 于 1958 年正式提出。它指明了遺傳信息的標(biāo)準(zhǔn)流程，即“DNA→DNA（DNA 的自我復(fù)制，replication），DNA→RNA（轉(zhuǎn)錄，transcription），RNA→蛋白質(zhì)（翻譯，translation），蛋白質(zhì)反過(guò)來(lái)協(xié)助前兩項(xiàng)流程以及 DNA 的自我復(fù)制”。除了極少數(shù)的逆轉(zhuǎn)錄病毒（retrovirus）存在著 RNA→RNA（RNA 的自我復(fù)制）、RNA→DNA（逆轉(zhuǎn)錄，reverse transcription）的情況外，地球上的絕大部分生命都遵循著這一規(guī)律。

Figure 1. The central dogma of molecular biology

在這幾十年的時(shí)間里，“中心法則”幾近完美地解釋了生命中遺傳信息的傳遞路線(xiàn)。但近日，科學(xué)家們卻發(fā)現(xiàn)，事情遠(yuǎn)沒(méi)有想象中那么簡(jiǎn)單。而這一切的“罪魁禍?zhǔn)住本故且环N名為“聚合酶”（Polymerases）的酶類(lèi)元件。

過(guò)去，人們普遍認(rèn)為聚合酶只能在復(fù)制或轉(zhuǎn)錄過(guò)程中進(jìn)行單向工作，這使得 RNA 序列無(wú)法被逆向?qū)懟?DNA。然而，近日美國(guó)托馬斯杰斐遜大學(xué)（Thomas Jefferson University）的研究人員卻表明，人類(lèi)的 DNA 聚合酶竟可將哺乳細(xì)胞內(nèi)的 RNA 信息重新寫(xiě)入 DNA 中！這一發(fā)現(xiàn)無(wú)疑是對(duì)中心法則的挑戰(zhàn)與顛覆，并可能對(duì)生物學(xué)的眾多領(lǐng)域產(chǎn)生廣泛影響。

“叛變”的DNA聚合酶

2021 年 6 月 11 日，《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）雜志發(fā)表了題為：Polθ reverse transcribes RNA and promotes RNA-templated DNA repair 的研究論文。該研究發(fā)現(xiàn)，人類(lèi)的DNA聚合酶theta（polymerase theta，Polθ）能夠高效地將 RNA 信息編寫(xiě)為 DNA ，這意味著人類(lèi)細(xì)胞中存在著由 Polθ 介導(dǎo)的從 RNA 到 DNA 的遺傳信息的逆向流動(dòng)。

在哺乳動(dòng)物細(xì)胞的 14 種 DNA聚合酶中，只有 3 種酶負(fù)責(zé)細(xì)胞分裂前的基因組復(fù)制工作，剩下的 11 種主要是在 DNA 鏈斷裂或錯(cuò)誤時(shí)進(jìn)行檢測(cè)和修復(fù)任務(wù)。而此次實(shí)驗(yàn)中所涉及到的 Polθ 就是負(fù)責(zé) DNA 修復(fù)工作的一種聚合酶，它主要是對(duì) DNA 損傷進(jìn)行易位合成（translesion synthesis，TLS）；在雙鏈斷裂修復(fù)連接處通過(guò)延伸部分堿基配對(duì)的 3’ 單鏈DNA（ssDNA），促進(jìn)雙鏈斷裂處的微同源介導(dǎo)的末端連接（microhomology-mediated end-joining，MMEJ）。

Polθ 作為高等真核生物中一種獨(dú)特的 DNA 聚合酶 - 解旋酶融合蛋白（DNA polymerase-helicase fusion protein），其 A 家族聚合酶結(jié)構(gòu)域是從 DNA 聚合酶 I（Pol I）演化而來(lái)的。但不同于 Pol I 的是，Polθ 并不能稱(chēng)得上為一個(gè)“好員工”——它經(jīng)常在修復(fù)過(guò)程中出錯(cuò)，產(chǎn)生許多錯(cuò)誤或突變。

據(jù)此，研究人員注意到它的這些“壞品質(zhì)”與艾滋病病毒（HIV，為一種 RNA 逆轉(zhuǎn)錄病毒）中的逆轉(zhuǎn)錄酶（reverse transcriptases，RTs）存在著共同之處。（注：HIV 病毒中的 RTs 能起到 DNA 聚合酶的作用，也可以 RNA 為模板合成 DNA 鏈，即逆轉(zhuǎn)錄過(guò)程。）

Polθ 極易出錯(cuò)且混雜，包含一個(gè)不活躍的校對(duì)域（inactive proofreading domain），可因獲得性突變而失活。研究團(tuán)隊(duì)推測(cè)，Polθ 具有 RNA 依賴(lài)的 DNA 合成活性，并以此展開(kāi)了一系列實(shí)驗(yàn)。

結(jié)果表明，Polθ 可以將 RNA 信息轉(zhuǎn)化為 DNA，且表現(xiàn)出可與 HIV 病毒中的 RTs 相媲美的活性速率，此項(xiàng)能力甚至比它復(fù)制 DNA 這一“本職工作”做得更好。由于 Polθ 在使用 RNA 模板寫(xiě)入新的 DNA 信息時(shí)，Polθ 比復(fù)制 DNA 時(shí)效率更高、犯錯(cuò)率更低，研究人員認(rèn)為，這表明這項(xiàng)能力可能才是 Polθ 的主要的細(xì)胞功能。

接下來(lái)，該研究的通訊作者 Richard Pomerantz 與美國(guó)南加利福尼亞大學(xué)（University of Southern California）的 Xiaojiang S. Chen 博士所在的實(shí)驗(yàn)室合作，利用 X 射線(xiàn)晶體學(xué)知識(shí)解析了 Polθ 的 3.2-? 晶體結(jié)構(gòu)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，為了適應(yīng)更大的 RNA 分子（A 型 DNA/RNA 雜交體），Polθ 可改變其自身形狀，即 57% 的拇指亞結(jié)構(gòu)域（thumb subdomain）的 α 螺旋會(huì)重新折疊成環(huán)，并與 DNA/RNA 引物模板上的核糖 2’- 羥基形成多個(gè)氫鍵——這一能力與逆轉(zhuǎn)錄病毒的 RTs 十分相似。

小結(jié)

此次研究的種種結(jié)果表明，Polθ 在哺乳細(xì)胞中的主要功能或的確是充當(dāng) RTs 的作用，且其高效的逆轉(zhuǎn)錄活性在人類(lèi)聚合酶中似乎是獨(dú)一無(wú)二的。據(jù)此，研究人員還指出：在健康細(xì)胞中，Polθ 的作用可能是用于促進(jìn) RNA 介導(dǎo)的 DNA 修復(fù)；然而值得一提的是，Polθ 雖僅在少數(shù)組織類(lèi)型中表達(dá)，但它在許多不健康的細(xì)胞（如癌細(xì)胞）中卻會(huì)進(jìn)行高度表達(dá)，這一現(xiàn)象與較差的臨床預(yù)后相對(duì)應(yīng)。此外，Polθ 還能促進(jìn)癌細(xì)胞的生長(zhǎng)和耐藥性，即賦予對(duì)癌癥療法的抗性及促進(jìn)缺乏 DNA 損傷修復(fù)途徑的異常細(xì)胞的存活。

因此，通過(guò)揭示 Polθ 對(duì) RNA 的活性及其如何促進(jìn) DNA 修復(fù)和癌細(xì)胞增殖，這項(xiàng)研究既挑戰(zhàn)了生命科學(xué)的基本定律“中心法則”，也提示了 Polθ 或許是一個(gè)極有前途的抗癌藥物靶點(diǎn)。

參考資料：

Science Paper：https://advances./content/7/24/eabf1771

Science Daily：https://www./releases/2021/06/210611174037.htm

 本文轉(zhuǎn)載于生物谷 編輯：Gly  甘甜