细菌中的神秘分子原来是一名守卫

　　在许多细菌中有一种叫做反转录子（Retrons）的特殊杂交结构，即半RNA，半单链DNA。自从35年前他们被发现以来，研究人员已经学会了如何在实验室中使用反转录子来产生单链DNA，但没有人知道它们在细菌中的作用，尽管对这个问题进行了大量的研究。
　　Credit: Weizmann Institute of Science
　　在今天《细胞》杂志发表的一篇论文中，魏茨曼（Weizmann）科学研究所的一个团队报告了这个长期存在的谜团：反转录子原来是免疫系统的＂守卫＂，当细菌群被病毒感染时，它就能确保其生存。除了发现细菌用来保护自己免受病毒感染的新策略--这一策略与植物免疫系统使用的策略惊人地相似--这项研究还揭示了许多新的反转录子，它们在将来可能会添加到基因组编辑工具包中。
　　这项研究是在研究所分子遗传学系的Rotem Sorek教授的实验室进行的，他的团队并没有着手解决反转录子的谜团；他们正在寻找细菌免疫系统的新元素，特别是帮助细菌抵御病毒感染的元素。他们最近发现细菌的免疫系统基因往往聚集在所谓的防御体系的基因组中，这使得他们的研究变得更加容易。当他们在一个细菌防御岛内发现反转录子独特的特征时，研究小组决定进一步调查。
　　他们最初的研究表明，这种反转录子确实参与了保护细菌免受病毒侵害的过程，这种病毒被称为噬菌体，专门感染细菌。当研究人员更仔细地观察位于已知防御基因附近的额外的反转录子时，他们发现这些反转录子在生理和功能上总是与另一个基因相连。当伴随的基因或反转录基因发生突变时，细菌在抵抗噬菌体感染方面不太成功。
　　然后，研究人员开始在防御体系寻找更多这样的综合体。最终，他们在众多细菌种类的不同防御体系上发现了大约5,000个反转录子，其中许多是新生成的。
　　为了检查这些受体是否起作用，一般来说，作为免疫机制，研究人员一个接一个地将许多受体移植到缺乏受体的实验室细菌细胞中。正如他们所怀疑的，在许多这些细胞中，他们发现了保护细菌免受噬菌体感染的受体。
　　反转录子是怎么做到的？研究小组将注意力集中在一种特殊的反转录子上，在噬菌体感染的情况下追踪它的作用，发现它的作用是导致被感染的细胞自杀。细胞自杀，曾经被认为完全属于多细胞生物，是中止广泛感染的最后一种手段--如果自杀机制在病毒完成复制并传播到其他细胞之前足以杀死细胞的话。
　　进一步的研究表明，反转录子并不能感觉到噬菌体自身的入侵，而是监视免疫系统的另一部分，即RecBCD，这是细菌的第一道防线。如果它意识到噬菌体已经篡改了细胞的RecBCD，它就会通过第二个激活它的程序，连接基因来杀死被感染的细胞并保护其余的菌落。
　　Sorek说：＂这是一种聪明的策略，我们发现它的工作方式类似于植物细胞中使用的保护机制。就像感染植物的病毒一样，噬菌体配备了各种抑制剂来阻断细胞免疫反应的各个部分。这种逆转录病毒就像已知存在于植物中的一种防御机制一样，不需要能够识别所有可能的抑制剂，只需要对一种特定的免疫复合物的功能有控制作用。细胞应用这种流产感染的方法，杀死一小部分叶子或根，以挽救植物本身。由于大多数细菌生活在菌落中，同样的策略可以促进群体的生存，甚至牺牲个体成员的生存。＂
　　反转录子对生物技术是非常有用的，因为它们以一段RNA开始，RNA是合成DNA链的模板。这个在回旋序列中的模板可以被替换出任何想要的DNA序列，有时与从细菌免疫工具包借来的另一个工具CRISPR一起使用，以各种方式操纵基因。Sorek和他的团队相信，在他们发现的不同的反子列表中，隐藏的可能不止几个，它们可以为特定的基因编辑需求提供更好的模板。
　　更多信息：Adi Millman et al. Bacterial Retrons Function In Anti-Phage Defense. Cell. Published:November 05, 2020DOI:doi.org/10.1016/j.cell.2020.09.065