人类细胞可以将RNA序列写入DNA

病毒可以将RNA逆转录为DNA这没啥疑问,令人惊奇的是,研究人员新发现哺乳动物细胞也具有将RNA序列转换回DNA的机制,这一发现挑战了生物学中长期以来的教条。揭开生物学奥秘的过程真是一个不断突破原有认知的过程。

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。”

文章参考:Pol theta reverse transcribes RNA and promotes RNA-templated DNA repair

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