陳軼翔/編譯

轉(zhuǎn)座子：一個可移動的防御武器

陳軼翔/編譯

轉(zhuǎn)座子構(gòu)成了多達90%的玉米基因組，并導(dǎo)致玉米粒顏色的差異。這是造成多樣性免疫防御體系的根本原因

●在病原體和宿主之間的進化軍備競賽中，被稱為轉(zhuǎn)座子的遺傳因素常常發(fā)揮著細胞防御的攻擊性武器之功效。

研究人員現(xiàn)在意識到，遺傳物質(zhì)一旦簡化為整齊的有機體包，就不僅限于個體，甚至物種——當(dāng)包內(nèi)的遺傳物質(zhì)轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的感染性病毒微粒后，可以將部分或全部基因?qū)胨拗骰蚪M，即使病毒本身已經(jīng)離開，但殘留物依然存在。在較小范圍內(nèi),裸露的遺傳因子如轉(zhuǎn)座子（transposon)、細菌質(zhì)?；蛱S基因，經(jīng)常穿梭般地往返于基因組之間，似乎整個生命歷程就是由這種移動的轉(zhuǎn)座子和其細胞宿主之間進行的一場連續(xù)不斷的拔河比賽。

轉(zhuǎn)座子遍及整個生物圈。在我們所研究的棲息地中，從海洋、土壤，再到人類腸道，可檢測的病毒顆粒數(shù)（主要是噬菌體）至少超過細胞的十倍，甚至更多。此外，轉(zhuǎn)座子及其殘留物構(gòu)成了很多生物體基因組的大部分——多達三分之二的人類基因組和接近于90%的植物，如玉米基因組。

盡管轉(zhuǎn)座子普遍存在于不同的基因組中，但歷來被視為無功能的垃圾DNA。從二十世紀中葉開始，通過植物遺傳學(xué)家芭芭拉·麥克琳托克（Barbara McClintock）的開創(chuàng)性工作，并在其后的幾十年中，科學(xué)家將研究范圍從植物延伸到生物體，證明了轉(zhuǎn)座子序列可以執(zhí)行各種細胞功能，特別是對基因表達的調(diào)控。近期的研究表明，很多生物體也通過轉(zhuǎn)座子在基因組之間移動或修改DNA序列?？梢?，無論是脊椎動物還是微生物，在適應(yīng)性免疫進化中轉(zhuǎn)座子的作用舉足輕重。直到最近，還發(fā)現(xiàn)一種適應(yīng)性免疫，即成簇的規(guī)律間隔的短回文重復(fù)序列（CRISPR-Cas）相關(guān)蛋白基因，已經(jīng)引發(fā)了新一代的基因組改造工具的開發(fā)。

轉(zhuǎn)座子與適應(yīng)性免疫

就細胞的防御體系進化而言，幾乎發(fā)生于包括從細菌到哺乳動物的所有生物體。但仔細研究后，就會發(fā)現(xiàn)其機制進化很大程度上依賴于轉(zhuǎn)座子，而轉(zhuǎn)座子本身就是宿主免疫防御的目標(biāo)。

如同現(xiàn)實生活中的小偷盜取主人財產(chǎn)一樣，寄生蟲也會在離開或死亡前殺死它們的宿主，最終導(dǎo)致整個生態(tài)群落的崩潰，盡管宿主對此并非毫無防備。而免疫系統(tǒng)的多樣性和復(fù)雜性是驚人的：其功能從直接的、非特異性的本能反應(yīng)，到精心編排的適應(yīng)性反應(yīng)，范圍極其廣泛，包括在最初遭遇病原體攻擊之后發(fā)生的適應(yīng)性反應(yīng)直至產(chǎn)生終身免疫記憶。

圖1

圖2

在過去二十年左右的時間里，越來越多的研究證明，幾乎所有的生物體都擁有多個先天免疫機制。比如，大多數(shù)動物具有的Toll樣受體（TLR）在遭到入侵時，能夠從病原體中識別出保守因子并激活免疫系統(tǒng)中的恰當(dāng)成分。而更古老且普遍存在的RNA干擾（RNAi），則是一種利用被稱為小干擾RNA（siRNAs）作為介導(dǎo)的防御體系，以抵御入侵的主要為RNA病毒核酸。從概念上講，小干擾RNA的生物學(xué)功能類似于Toll樣受體，即本能的對多類別病原體作出免疫反應(yīng)。

就原核生物而言，它自身固有的一套先天免疫機制在抵御入侵物的同時，其遺傳物質(zhì)甲基化酶會修飾相應(yīng)的位點，以保護細胞自身DNA不被限制性內(nèi)切酶破壞。這被稱為限制修飾系統(tǒng)（RM）。如果遭遇大量病原體入侵，為防止其傳播，大部分原核細胞會程序性死亡或休眠——被感染的細菌或古生菌激活毒素-抗毒素系統(tǒng)（TA），進而導(dǎo)致細胞休眠或死亡。

然而，很多病毒會對RM和TA進行編碼。實際上這些病毒是一種獨特的轉(zhuǎn)座子，在利用RM方面，病毒與其原核宿主有著同樣的目的：甲基化酶可以對病毒基因組修飾，內(nèi)切酶則降解宿主細胞中被修飾的基因組，為病毒基因組的重新拷貝提供核苷酸。而TA能夠確保細胞內(nèi)質(zhì)?；虿《镜拇媪?。

至于毒素蛋白和抗毒素蛋白的區(qū)別，則在于細胞中蛋白水解酶對它們的影響不同：前者穩(wěn)定，后者易變。若這兩種基因在細胞分裂過程中丟失，抗毒素蛋白會迅速降解，剩余的毒素足以阻止細胞的合成，至少使其休眠。但如果轉(zhuǎn)座子丟失了，一個在基因組中攜帶TA模塊的質(zhì)?；虿《揪蜁诒黄浼せ畹乃拗髦兄踩胍粋€自毀機制（如圖1所示）。

當(dāng)轉(zhuǎn)座子插入到宿主基因組時，通常會利用一個由轉(zhuǎn)座子編碼的重組酶（也稱作整合酶或轉(zhuǎn)座酶）對其進行修飾，確保轉(zhuǎn)座子在宿主基因組內(nèi)繁衍。然而，考慮到轉(zhuǎn)座子在生命形式中無處不在，宿主肯定會通過一些自然進化的基因組工具達到自己的目的，而免疫記憶是這些工具中效用最明顯的一個?，F(xiàn)在看來，轉(zhuǎn)座子及其重組酶對適應(yīng)性免疫原核形式起源的關(guān)鍵貢獻，也就不足為奇了。

左為轉(zhuǎn)座子的偽色透射電子顯微照片：這段DNA可以在染色體和基因組之間移動；右為大麗花的顏色差異是由轉(zhuǎn)座子引發(fā)的突變造成的

關(guān)于免疫機制的假說

一直以來，原核生物被認為完全缺乏脊椎動物那種抵御寄生蟲的適應(yīng)性免疫。然而，該觀點被研究者們以一種引人注目的方式推翻：即CRISPRCas以及基于RNA干擾（RNAi）的防御體系被發(fā)現(xiàn)存在于迄今被研究的大多數(shù)古生菌和細菌之中。2005年，西班牙阿利坎特大學(xué)的弗朗西斯科·莫佳卡（Francisco Mójica）、法國巴斯德研究所的達斯科·埃利希（Dusko Ehrlich）各自發(fā)現(xiàn)鑲嵌在CRISPR之間的被稱為間隔段的獨特序列（與噬菌體或質(zhì)粒基因組斷片相同）。結(jié)合對Cas蛋白質(zhì)的詳細分析，上述這些發(fā)現(xiàn)使庫寧（Koonin）及其團隊于2006年提出，源于CRISPR-Cas起到一種原核適應(yīng)性免疫的作用，加上CRISPR包（成簇的短小、直接重復(fù)序列）里儲存的感染記憶在非重復(fù)性間隔段中穿插，由此產(chǎn)生了一個關(guān)于免疫機制的假說。

在隨后進行的一系列研究與實驗，都證實了這一假說，即CRISPR-Cas執(zhí)行其功能的途徑是：將外來噬菌體或質(zhì)粒DNA斷片整合到CRISPR包中，并通過這些獨特間隔段的轉(zhuǎn)錄來指導(dǎo)RNA識別并斷開重復(fù)入侵者的基因組（如圖2所示），其關(guān)鍵特征有能力將有效的、特定的免疫代代傳播。因此，CRISPR-Cas不僅是一種適應(yīng)性免疫系統(tǒng)，而且是拉馬克進化的一個真正機器，即環(huán)境的挑戰(zhàn)，在這里就是由病毒或質(zhì)粒直接造成基因組發(fā)生特定的變化，進而導(dǎo)致一種遺傳后代的適應(yīng)。

根據(jù)參與CRISPR轉(zhuǎn)錄處理和目標(biāo)識別的Cas蛋白質(zhì)群，大量關(guān)于基因組結(jié)構(gòu)的比較研究都體現(xiàn)了CRISPR-Cas體系多樣化的特征。比如，I型和III型體系采用由多個Cas蛋白質(zhì)組成的復(fù)雜蛋白質(zhì)復(fù)合物，II型體系則與一個被稱為Cas9的單獨的蛋白質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。這些發(fā)現(xiàn)為開發(fā)新一代基因組編輯工具敞開了大門——眾多實驗室都在利用基于Cas9工具進行基因組工程開發(fā)。這比前CRISPR時代可用的方法更快、更靈活和更具多樣化用途。

利用CRISPR似乎并不是人類獨有的專利，病毒也在做同樣的事情。例如，一個感染了致病性霍亂弧菌的噬菌體，會攜帶其自身的適應(yīng)性來應(yīng)對駐留在宿主基因組的另一個轉(zhuǎn)座子——在噬菌體感染時，另一個轉(zhuǎn)座子[即導(dǎo)致染色體島狀成分的噬菌體（PLE）]將自己從細胞基因組中切除，以抑制噬菌體繁衍。與此同時，CRISPR-Cas則以毀滅PLE作為目標(biāo)，來確保噬菌體的成功繁衍。

因此，在原核生物中，所有防御系統(tǒng)似乎都是供出租的武器，為出價最高者服務(wù)。有時，不可能確切地知道，不同的防御機制究竟首次出現(xiàn)在細胞還是轉(zhuǎn)座子中。

圖3圖3

或有更多的拉馬克機制

我們團隊最新組織的證據(jù)也支持了CRISPRCas體系的轉(zhuǎn)座子起源，即CRISPR-Cas的關(guān)鍵酶Cas1是負責(zé)獲取外來DNA，然后將其插入CRISPR包中的間隔段。這與多樣轉(zhuǎn)座子重組酶活動有驚人的相似性，盡管Cas1不屬于任何已知的重組酶科。但作為CRISPR-Cas系統(tǒng)的一個無所不在的成分，Cas1很可能對于CRISPR-Cas免疫的出現(xiàn)是至關(guān)重要的。

在最近一次對古生菌DNA暗物質(zhì)（即測序基因組中成簇的非特征性基因）的探測中，我們意外地發(fā)現(xiàn)了一個新型的類轉(zhuǎn)座子科，它對于Cas1的起源發(fā)揮著關(guān)鍵作用。這些之前未曾關(guān)注的轉(zhuǎn)座子在其兩個末端都有反向重復(fù)序列，就像其他轉(zhuǎn)座子一樣。但它們的基因含量是不尋常的，即存在于古生菌和細菌基因組中的新轉(zhuǎn)座子是高度的多態(tài)化（不同的成員包含6到20個基因不等），其中只有兩個保守的共享基因，其一負責(zé)對DNA聚合酶編碼，表明這些轉(zhuǎn)座子為自身復(fù)制提供關(guān)鍵的蛋白質(zhì)。更令人驚喜的是另一個保守蛋白質(zhì)，即Cas1的同族體，為CRISPR-Cas體系中的關(guān)鍵蛋白質(zhì)。

與脊椎動物相比，適應(yīng)性免疫在原核生物中的作用方式是完全不同的，在生命周期中，后者是基于對特定病原體T-和B-淋巴細胞抗原受體的獲取。由于大多數(shù)免疫球蛋白受體是少數(shù)基因通過專門處理方式產(chǎn)生的，其過程被稱為V（可變的）、D（多樣性），和J（連接）片段(V(D)J)的重組和突變（如圖3所示）。

與CRISPR-Cas相似的是，脊椎動物適應(yīng)性免疫的起源似乎也有轉(zhuǎn)座子的影子——V(D)J是由RAG1-RAG2重組酶復(fù)合物介導(dǎo)的（RAG1源于一個被稱作Transib的獨特的動物轉(zhuǎn)座子群的重組酶）。而免疫球蛋白基因重組信號序列，則由RAG1-RAG2重組酶識別，至于V（D）J基因片段，似乎也經(jīng)由Transib進化發(fā)育。

事實上，鑒于轉(zhuǎn)座子是免疫系統(tǒng)的主要目標(biāo)，原核Casposon中的CRISPR-Cas起源和脊椎動物Transib轉(zhuǎn)座子V(D)J的重組看似是矛盾的。然而，考慮到轉(zhuǎn)座子的無所不在和多樣性，在生命歷程中似乎有更多的拉馬克機制（一種系統(tǒng)的生物進化學(xué)說）在指導(dǎo)著基因組的變化。

此外，對于基因組改造和其他所需實驗工具的開發(fā)，免疫系統(tǒng)的基因處理能力提供了幾乎無限的可能。幾十年來，抗體作為蛋白質(zhì)檢測工具以及RM作為DNA分子的特異性片段化所具有的效力，對于生物學(xué)的發(fā)展至關(guān)重要。CRISPR-Cas系統(tǒng)最近已被添加到工具包中，可以說它是新一代最有前途的分子生物學(xué)的方法。至于生物體防御系統(tǒng)中很多未知的方面（特征也不明顯），這對于基因組工程來說其中還隱藏著多少機會呢？

[資料來源：The Scientist][責(zé)任編輯：則鳴]

本文作者：尤金·庫寧（Eugene Koonin)，生物學(xué)家，就職于美國國家生物技術(shù)信息中心；馬爾特·庫珀維奇（Mart Krupovic)，微生物學(xué)家，就職于法國巴斯德研究所。