又该扔教科书了！RNA序列竟可写入DNA，传统“中心法则”遭受挑战
“中心法则”的前世今生
说到“中心法则”（Central Dogma），想必大家定不会陌生，这一现代生命科学的基本定律由英国著名生物学家 Francis Crick 于 1958 年正式提出。它指明了遗传信息的标准流程，即“DNA→DNA（DNA 的自我复制，replication），DNA→RNA（转录，transcription），RNA→蛋白质（翻译，translation），蛋白质反过来协助前两项流程以及 DNA 的自我复制”。除了极少数的逆转录病毒（retrovirus）存在着 RNA→RNA（RNA 的自我复制）、RNA→DNA（逆转录，reverse transcription）的情况外，地球上的绝大部分生命都遵循着这一规律。
Figure 1. The central dogma of molecular biology
在这几十年的时间里，“中心法则”几近完美地解释了生命中遗传信息的传递路线。但近日，科学家们却发现，事情远没有想象中那么简单。而这一切的“罪魁祸首”竟是一种名为“聚合酶”（Polymerases）的酶类元件。
过去，人们普遍认为聚合酶只能在复制或转录过程中进行单向工作，这使得 RNA 序列无法被逆向写回 DNA。然而，近日美国托马斯杰斐逊大学（Thomas Jefferson University）的研究人员却表明，人类的 DNA 聚合酶竟可将哺乳细胞内的 RNA 信息重新写入 DNA 中！这一发现无疑是对中心法则的挑战与颠覆，并可能对生物学的众多领域产生广泛影响。
“叛变”的DNA聚合酶
2021 年 6 月 11 日，《科学进展》（Science Advances）杂志发表了题为：Polθ reverse transcribes RNA and promotes RNA-templated DNA repair 的研究论文。该研究发现，人类的DNA聚合酶theta（polymerase theta，Polθ）能够高效地将 RNA 信息编写为 DNA ，这意味着人类细胞中存在着由 Polθ 介导的从 RNA 到 DNA 的遗传信息的逆向流动。
在哺乳动物细胞的 14 种 DNA聚合酶中，只有 3 种酶负责细胞分裂前的基因组复制工作，剩下的 11 种主要是在 DNA 链断裂或错误时进行检测和修复任务。而此次实验中所涉及到的 Polθ 就是负责 DNA 修复工作的一种聚合酶，它主要是对 DNA 损伤进行易位合成（translesion synthesis，TLS）；在双链断裂修复连接处通过延伸部分碱基配对的 3’ 单链DNA（ssDNA），促进双链断裂处的微同源介导的末端连接（microhomology-mediated end-joining，MMEJ）。
Polθ 作为高等真核生物中一种独特的 DNA 聚合酶 - 解旋酶融合蛋白（DNA polymerase-helicase fusion protein），其 A 家族聚合酶结构域是从 DNA 聚合酶 I（Pol I）演化而来的。但不同于 Pol I 的是，Polθ 并不能称得上为一个“好员工”——它经常在修复过程中出错，产生许多错误或突变。
据此，研究人员注意到它的这些“坏品质”与艾滋病病毒（HIV，为一种 RNA 逆转录病毒）中的逆转录酶（reverse transcriptases，RTs）存在着共同之处。（注：HIV 病毒中的 RTs 能起到 DNA 聚合酶的作用，也可以 RNA 为模板合成 DNA 链，即逆转录过程。）
Polθ 极易出错且混杂，包含一个不活跃的校对域（inactive proofreading domain），可因获得性突变而失活。研究团队推测，Polθ 具有 RNA 依赖的 DNA 合成活性，并以此展开了一系列实验。
结果表明，Polθ 可以将 RNA 信息转化为 DNA，且表现出可与 HIV 病毒中的 RTs 相媲美的活性速率，此项能力甚至比它复制 DNA 这一“本职工作”做得更好。由于 Polθ 在使用 RNA 模板写入新的 DNA 信息时，Polθ 比复制 DNA 时效率更高、犯错率更低，研究人员认为，这表明这项能力可能才是 Polθ 的主要的细胞功能。
接下来，该研究的通讯作者 Richard Pomerantz 与美国南加利福尼亚大学（University of Southern California）的 Xiaojiang S. Chen 博士所在的实验室合作，利用 X 射线晶体学知识解析了 Polθ 的 3.2-Å 晶体结构。结果发现，为了适应更大的 RNA 分子（A 型 DNA/RNA 杂交体），Polθ 可改变其自身形状，即 57% 的拇指亚结构域（thumb subdomain）的 α 螺旋会重新折叠成环，并与 DNA/RNA 引物模板上的核糖 2’- 羟基形成多个氢键——这一能力与逆转录病毒的 RTs 十分相似。
小结
此次研究的种种结果表明，Polθ 在哺乳细胞中的主要功能或的确是充当 RTs 的作用，且其高效的逆转录活性在人类聚合酶中似乎是独一无二的。据此，研究人员还指出：在健康细胞中，Polθ 的作用可能是用于促进 RNA 介导的 DNA 修复；然而值得一提的是，Polθ 虽仅在少数组织类型中表达，但它在许多不健康的细胞（如癌细胞）中却会进行高度表达，这一现象与较差的临床预后相对应。此外，Polθ 还能促进癌细胞的生长和耐药性，即赋予对癌症疗法的抗性及促进缺乏 DNA 损伤修复途径的异常细胞的存活。
因此，通过揭示 Polθ 对 RNA 的活性及其如何促进 DNA 修复和癌细胞增殖，这项研究既挑战了生命科学的基本定律“中心法则”，也提示了 Polθ 或许是一个极有前途的抗癌药物靶点。
参考资料：
Science Paper：https://advances.sciencemag.org/content/7/24/eabf1771
Science Daily：https://www.sciencedaily.com/releases/2021/06/210611174037.htm
本文转载于生物谷 编辑：Gly 甘甜