哥倫比亞大學的研究人員發現，細菌可以在染色體外創造出自由漂浮的臨時基因，這對長期以來認為所有遺傳指令都包含在基因組內的觀點提出了挑戰。這項發現為人類存在類似基因提供了可能性，有可能徹底改變我們對遺傳學和基因編輯的理解。

自從20 世紀60 年代首次破解基因密碼以來，我們的基因就像一本打開的書。透過將染色體理解為線性字母序列（類似於小說中的句子），我們可以識別基因組中的基因，並了解基因密碼的變化如何影響健康。

人們認為，這種線性生命法則支配著從人類到細菌的所有生命形式。但是，哥倫比亞大學研究人員的一項新研究表明，細菌打破了這一規則，可以創造出自由漂浮和短暫存在的基因，從而提出了在我們的基因組之外也存在類似基因的可能性。

「這項發現顛覆了染色體擁有細胞用來生產蛋白質的整套指令的觀念，”瓦格羅斯內外科醫學院生物化學與分子生物學副教授塞繆爾-斯滕伯格（Samuel Sternberg）說，他與醫學院的醫學博士/博士生史蒂芬-唐（Stephen Tang）共同領導了這項研究。 “我們現在知道，至少在細菌中，可能還有其他指令沒有保留在基因組中，但它們對細胞的存活至關重要”。

幾個月前，當這篇論文首次以預印本發表時，科學界的反應已經成為新聞。在《自然-新聞》的一篇文章中，科學家們稱這一發現為”外星生物學”、”令人吃驚”和”令人震驚”。

“它一再讓我們難以置信，”唐說，”隨著機制逐漸顯現，我們從懷疑到驚訝。”

細菌與病毒之間的爭鬥已經持續了數個世紀，病毒試圖將自己的DNA注入細菌基因組，而細菌則設計出狡猾的方法（如CRISPR）來保護自己。許多細菌的防禦機制仍未被探索，但卻可能帶來新的基因組編輯工具。

史特恩伯格和唐選擇探索的細菌防禦系統是一個奇怪的系統：該系統涉及一段功能未知的RNA和一種逆轉錄酶，後者是一種從RNA 模板合成DNA 的酶。細菌中最常見的防禦系統是切割或降解傳入的病毒DNA，”因此我們對透過DNA 合成來防禦基因組的想法感到困惑，」唐說。

為了了解這種奇特的防禦系統是如何運作的，唐首先創造了一種新技術來識別逆轉錄酶產生的DNA。他發現的DNA很長，但具有重複性，包含防禦系統RNA分子中一個短序列的多個拷貝。

他隨後意識到，RNA 分子的這一部分折疊成一個環，反轉錄酶在這個環上繞了無數圈，從而產生了重複的DNA。斯滕伯格說：”這就像你打算複印一本書，但影印機卻開始一遍又一遍地複印同一頁紙。”

研究人員最初認為，他們的實驗可能出了問題，或者是酵素出了差錯，產生的DNA 沒有意義。就在這時，史蒂芬進行了一番巧妙的挖掘，發現DNA 分子是一個功能齊全、自由浮動的瞬時基因。

研究人員發現，基因編碼的蛋白質是細菌抗病毒防禦系統的關鍵部分。病毒感染會觸發這種蛋白質（研究人員稱為Neo）的產生，阻止病毒複製和感染鄰近細胞。

史騰伯格說：『如果在高等生物的細胞中也發現了類似的基因，那將是改變遊戲規則的重大發現。可能有一些基因或DNA序列並不存在於人類的23條染色體中。也許它們只在特定的環境、特定的發育或遺傳背景下產生，但提供了我們正常生理所依賴的關鍵編碼資訊。

目前，實驗室正在利用唐的方法尋找由逆轉錄酶產生的人類染色體外基因。

“人類基因組中有數千個逆轉錄酶基因，其中許多基因的功能尚未被發現。”斯滕伯格說：”還有一個巨大的空白有待填補，它可能揭示出一些更有趣的生物學現象。”

雖然利用CRISPR 編輯技術的基因療法已進入臨床試驗階段（去年批准了一種用於鐮狀細胞的療法），但CRISPR 並不是完美的技術。

將CRISPR 與逆轉錄酶結合的新技術為基因組工程師提供了更大的能力。唐說：”反轉錄酶能在CRISPR切割的位點寫入新訊息，而單靠CRISPR是做不到的。但每個都在使用幾十年前發現的同一種反轉錄酶。”

產生Neo 的逆轉錄酶具有某些特性，這可能使其成為實驗室基因組編輯和創造新基因療法的更好選擇。細菌中還存在著更多神秘的逆轉錄酶，等待我們去探索。

斯滕伯格說：”我們認為，細菌可能是逆轉錄酶的寶庫，一旦我們了解了它們的工作原理，它們就會成為新技術的起點。”

編譯自/ ScitechDaily

DOI: 10.1126/science.adq0876