Science：新研究揭示可复制RNA的起源和复制机制

2020年4月14日讯/BIOON/---虽然遗传信息通常编码在DNA中，并通过DNA模板复制的方式传递，但是RNA也可以作为物质通过RNA模板复制的方式传递。人们已经描述了两类蛋白催化的RNA复制系统。在第一种RNA复制系统中，专门的RNA依赖性RNA聚合酶复制流感病毒和登革热病毒等RNA病毒的基因组。在第二种RNA复制系统中，通常参与DNA转录成RNA的细胞酶可以复制某些RNA，比如植物类病毒（viroid）和人类丁型肝炎病毒（HDV）。利用DNA依赖性RNA聚合酶进行复制的RNA的多样性和潜在的分子机制尚未得到充分研究。

先前已经描述了可以通过噬菌体T7 DNA依赖性RNA聚合酶（T7 RNAP）在体外复制的五种RNA序列。这些可复制RNA（replicating RNA）的起源和T7 RNAP的复制要求尚不清楚。

在一项新的研究中，来自美国斯坦福大学的研究人员应用了下一代测序、微流控技术和来解决（i）DNA依赖性RNA聚合酶如何复制RNA，（ii）哪些RNA模板可被有效地复制，（iii）可复制RNA的起源。相关研究结果发表在2020年4月10日的Science期刊上，论文标题为“Transcription polymerase–catalyzed emergence of novel RNA replicons”。

图片来自Science, 2020, doi:10.1126/science.aay0688。 这些研究人员在没有明确添加模板的情形下建立了一系列T7 RNAP反应。这些反应产生具有不同序列的RNA复制子（RNA replicon），不过这些复制子具有由双向重复（在整个RNA长度上较长的反向重复）和四向重复（较短的反向重复嵌入在双向重复的每个臂中）确定的一致性结构框架。

他们发现T7 RNAP进行有效的RNA复制需要双向重复和四向重复，这提示着具有双向重复和四向重复的RNA在没有添加模板的反应中通过“适者生存”的形式在试管中出现。对双向重复的要求进一步提示着RNA形成较长的发夹结构，然而对四向重复的要求则提示着RNA在复制过程中会改变结构，这就是人们所说的RNA变形（RNA shape-shifting）。

在利用化学合成的RNA模板进行的实验中，他们还确定了无模板的3"核苷酸延伸是复制起始的关键要求。这个关键要求表明，新RNA产物的起始在模板序列内部发生，他们称之为亚末端从头起始（subterminal de novo initiation）。他们还发现具有确定的5"末端和3"末端的RNA模板可用于多轮RNA合成。这种他们称之为中断滚环合成（interrupted rolling-circle synthesis）的机制产生了由多个重复的模板序列组成的RNA产物。

在未添加模板的T7 RNAP反应中合成的RNA可能是已有序列的复制产物或从头起始过程的产物。为了区分这两种可能性，他们使用微流控技术扩大了实验通量，从而分离出数百个RNA复制子。对他们的大型复制子文库的分析使得他们提出假设，即可复制RNA可以通过从DNA种子中获得部分指令而从头开始复制。为了支持这一假设，他们证实他们自己选择的DNA种子库中新型可复制RNA的形成。他们观察到，RNA复制子由DNA种子序列信息组成，该信息已被复制和重复以产生特征性的四向重复模式，这表明聚合酶活性和分子进化步骤的特定级联导致可复制RNA的起源。

这些研究结果为自然存在的RNA遗传元件的起源和复制提供了模型，并提出了一种手段，使得各种RNA群体可以在细胞环境中充当物质。（100医药网 100yiyao.com）

参考资料：

Nimit Jain et al. . Science, 2020, doi:10.1126/science.aay0688.