雖然遺傳資訊通常編碼在DNA中，並透過DNA模板複製的方式傳遞，但是RNA也可以作為遺傳物質透過RNA模板複製的方式傳遞。人們已經描述了兩類蛋白催化的RNA複製系統。在第一種RNA複製系統中，專門的RNA依賴性RNA聚合酶複製流感病毒和登革熱病毒等RNA病毒的基因組。在第二種RNA複製系統中，通常參與DNA轉錄成RNA的細胞酶可以複製某些RNA，比如植物類病毒（viroid）和人類丁型肝炎病毒（HDV）。利用DNA依賴性RNA聚合酶進行復制的RNA的多樣性和潛在的分子機制尚未得到充分研究。先前已經描述了可以透過噬菌體T7 DNA依賴性RNA聚合酶（T7 RNAP）在體外複製的五種RNA序列。這些可複製RNA（replicating RNA）的起源和T7 RNAP的複製要求尚不清楚。在一項新的研究中，來自美國斯坦福大學的研究人員應用了下一代測序、微流控技術和生物資訊學來解決（i）DNA依賴性RNA聚合酶如何複製RNA，（ii）哪些RNA模板可被有效地複製，（iii）可複製RNA的起源。相關研究結果發表在2020年4月10日的Science期刊上，論文標題為“Transcription polymerase–catalyzed emergence of novel RNA replicons”。

圖片來自Science, 2020, doi:10.1126/science.aay0688。

這些研究人員在沒有明確新增模板的情形下建立了一系列T7 RNAP反應。這些反應產生具有不同序列的RNA複製子（RNA replicon），不過這些複製子具有由雙向重複（在整個RNA長度上較長的反向重複）和四向重複（較短的反向重複嵌入在雙向重複的每個臂中）確定的一致性結構框架。他們發現T7 RNAP進行有效的RNA複製需要雙向重複和四向重複，這提示著具有雙向重複和四向重複的RNA在沒有新增模板的反應中透過“適者生存”的形式在試管中出現。對雙向重複的要求進一步提示著RNA形成較長的髮夾結構，然而對四向重複的要求則提示著RNA在複製過程中會改變結構，這就是人們所說的RNA變形（RNA shape-shifting）。在利用化學合成的RNA模板進行的實驗中，他們還確定了無模板的3'核苷酸延伸是複製起始的關鍵要求。這個關鍵要求表明，新RNA產物的起始在模板序列內部發生，他們稱之為亞末端從頭起始（subterminal de novo initiation）。他們還發現具有確定的5'末端和3'末端的RNA模板可用於多輪RNA合成。這種他們稱之為中斷滾環合成（interrupted rolling-circle synthesis）的機制產生了由多個重複的模板序列組成的RNA產物。在未新增模板的T7 RNAP反應中合成的RNA可能是已有序列的複製產物或從頭起始過程的產物。為了區分這兩種可能性，他們使用微流控技術擴大了實驗通量，從而分離出數百個RNA複製子。對他們的大型複製子文庫的分析使得他們提出假設，即可複製RNA可以透過從DNA種子中獲得部分指令而從頭開始複製。為了支援這一假設，他們證實他們自己選擇的DNA種子庫中新型可複製RNA的形成。他們觀察到，RNA複製子由DNA種子序列資訊組成，該資訊已被複制和重複以產生特徵性的四向重複模式，這表明聚合酶活性和分子進化步驟的特定級聯導致可複製RNA的起源。這些研究結果為自然存在的RNA遺傳元件的起源和複製提供了模型，並提出了一種手段，使得各種RNA群體可以在細胞環境中充當遺傳物質。參考資料：Nimit Jain et al. Transcription polymerase–catalyzed emergence of novel RNA replicons. Science, 2020, doi:10.1126/science.aay0688.

--------------完-----------------

薦：

宣告