颠覆性新发现：人类细胞可以将RNA序列写入DNA
细胞具有一套复制DNA并分裂形成新细胞的自我复制机制。聚合酶构建RNA信息，就像从配方中心DNA库中复制的笔记，使它们可以被更有效地解读为蛋白质。在经典的分子生物学理论中，聚合酶被认为是单向的，只在DNA到DNA或RNA的一个方向上起作用。这可以防止RNA信息被重写回基因组DNA这个“主配方书”中。现在，托马斯·杰斐逊大学的研究人员提供了第一个证据，证明在哺乳动物细胞中，RNA片段也可以被写回DNA，这可能挑战生物学的核心教条，并可能对生物学的许多领域产生广泛影响。
这项研究发表在6月11日的《Science Advances》杂志上。
Pomerantz的团队首先研究了一种非常不寻常的聚合酶，即聚合酶theta（Polθ）。在哺乳动物细胞中的14种DNA聚合酶中，只有3种酶承担了复制整个基因组、为细胞分裂做准备的大部分工作。剩下的11个主要参与检测和修复DNA链的断裂或错误。其中，聚合酶θ (Polθ)可以修复DNA——对DNA损伤进行易位合成（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（MMEJ），但容易出错，会产生许多错误或突变。这种高等真核生物中独特的DNA聚合酶-螺旋酶融合蛋白，其a家族聚合酶结构域由Pol I 酶进化而来。然而，与大多数Pol I 酶相反，Polθ 高度易出错。Polθ 在大多数组织中不表达，但在许多癌细胞中高表达，与较差的临床预后相对应。此外，Polθ 促使对基因毒性癌症疗法的抵抗力，并促进DNA损伤反应途径的缺陷细胞的存活。因此，Polθ 代表了一个有前途的抗癌药物靶点。
研究人员发现，Polθ 的校对域因获得性突变而失活。这种3′-5′校对功能失活使该聚合酶能够逆转RNA，跟逆转录酶（RTs）类似。Polθ具有高度的错误倾向和混乱性，并且包含一个不活跃的校对域，研究人员推测它具有RNA依赖的DNA合成活性。鉴于核糖核苷酸是基因组DNA中最常见的核苷酸损伤，它能阻止复制Pols并导致DNA断裂，研究人员还假设Polθ 在DNA修复过程中，能耐受模板核糖核苷酸，从而促进RNA模板化DNA修复合成（RNA-DNA修复）。虽然RNA-DNA修复机制已经在基因工程酵母细胞中得到证实，但在哺乳动物细胞中仍然不清楚。
研究实验证明，人类的聚合酶θ能够将RNA信息转化为DNA，实际上比DNA复制到DNA做得更好。Polθ利用RNA模板编写新的DNA信息（从RNA到DNA）时，脱氧核糖核酸的掺入速度和保真度比DNA模板（从DNA到DNA）显著提高。该团队与南加州大学的Xiaojiang S. Chen博士的实验室合作，使用X射线晶体学来定义这种分子的结构，并发现这种分子能够改变形状，以适应更大的RNA分子——这在聚合酶中是独一无二的。Polθ在DNA/RNA引物模板上的3.2-Å 晶体结构显示，该酶在拇指亚结构域（thumb subdomain）内发生一种主要的结构转变以适应a型DNA/RNA，并与模板核糖2′-羟基形成多个氢键——类似逆转录病毒RTs。Polθ 在DNA修复过程中选择性适应核糖核苷酸模板，提示这种功能可能是它在细胞中的主要目的。即Polθ能够促进哺乳动物细胞中以RNA为模板的DNA修复。
“我们的研究表明，聚合酶Polθ的主要功能是充当逆转录酶，”Pomerantz博士说。“在健康细胞中，这种分子的目的可能是用于RNA介导的DNA修复。在不健康的细胞中，如癌细胞，聚合酶高度表达，促进癌细胞生长和耐药性。进一步了解聚合酶在RNA上的活性如何有助于DNA修复和癌细胞增殖，这将是令人兴奋的。”
托马斯杰弗逊大学生物化学和分子生物学副教授Richard Pomerantz博士说:“这项工作为许多其他研究打开了大门，这些研究将帮助我们理解在我们自己的细胞中有一种将RNA信息转化为DNA的机制的重要性。人类聚合酶可以高效完成这一任务，这一事实提出了许多问题。例如，这一发现表明，RNA信息可以用作修复或重写基因组DNA的模板。”
参考文献
Pol theta reverse transcribes RNA and promotes RNA-templated DNA repair