撰稿长志

2020年10月7日，2020年诺贝尔化学奖揭晓，两位女科学家Emmanuelle Charpentier和Jennifer A. Doudna获奖，以表彰她们“开发了一种基因组编辑方法”，即CRISPR/Cas9基因编辑技术。

基于这项从细菌/古细菌的防御系统改造而来的技术，研究人员能够以极高的精度改变动物、植物和微生物的DNA，并有望改变一些生物体的生命周期。然而值得注意的是，自然界潜在的基因编辑工具并不局限于CRISPR，还有更多的工具有待人类开发！

2020年11月5日，以色列魏茨曼科学研究所的研究人员在国际顶级学术期刊《Cell》上发表了题为《Bacterial Retrons Function In Anti-Phage Defense》的研究论文。

Retrotron是一种由逆转录酶（RT）和非编码RNA（ncRNA）组成的细菌遗传元件。逆转录酶(RT) 使用非编码RNA (ncRNA) 作为模板生成嵌合RNA/DNA 分子，其中RNA 和DNA 成分通过共价键连接。值得一提的是，虽然逆转录子被发现已有30年历史，但其许多功能仍然未知。

事实上，与CRISPR 一样，逆转录子是细菌免疫系统的一部分，可以保护细菌免受噬菌体病毒的攻击。

近年来，研究人员一直在设计逆转录子，并试图将这种神秘的DNA、RNA 和蛋白质复合物转变为一种潜在的新型基因编辑工具，可用于改变单细胞生物的基因组。

逆转录本的组成

在这项研究中，研究团队首次具体展示了逆转录体作为抗噬菌体防御系统的功能。研究人员检查了多个逆转录子系统，发现它们可以通过诱导受感染的细菌自毁来提供针对多种噬菌体的防御机制。

研究人员重点关注了retrocon Ec48——，这是一种在细菌中具有中枢抗噬菌体功能的复合物，并发现了它保护同源重组蛋白RecBCD的证据。噬菌体蛋白对RecBCD 的抑制会激活逆转录酶，导致感染失败和细胞死亡。

简而言之，如果细菌细胞壁等结构是第一道防线，那么逆转录酶Ec48 则形成第二道防线。当第一道防线崩溃时，第二道防线就会被触发。

Retrogen 保护细菌免受噬菌体侵害

那么，逆转录子是如何被发现的，又是如何在基因编辑领域变得如此有前景的呢？

20 世纪80 年代，研究土壤细菌的研究人员困惑地发现，许多短的单链DNA 序列分散在细菌的细胞质中。接下来，研究人员发现每个DNA片段都与一个具有互补碱基序列的RNA相连，这使他们认识到一种叫做逆转录酶的酶可以从附着的RNA合成DNA，从而形成由RNA、DNA和酶组成的A复合物。

科学家后来发现，这种复合物是一种逆转录子，实际上是一种新的细菌防御系统，可以防止噬菌体感染。

Retrogen实际上是一种新的细菌防御系统，可以阻止噬菌体感染

值得注意的是，CRISPR具有高度针对性，但迄今为止它还不太擅长将新代码引入目标DNA。相比之下，retromers可以利用逆转录酶制造大量目标序列的拷贝，并且这些拷贝可以有效地剪接到宿主基因组中。

因此，如果逆转录能够与CRISPR整合，可能会开发出一种新的、更强大的基因编辑工具。

事实上，早在2018 年，斯坦福大学的Hunter Fraser 等人就推出了一款基于逆转录的碱基编辑器，名为CRISPEY。

CRISPEY的原理并不复杂。研究人员首先制造了与酵母基因匹配但携带点突变的RNA，然后通过CRISPR-Cas系统靶向酵母基因。一旦Cas9切割DNA，细胞的DNA修复机制就会用逆转录酶逆转录酶产生的DNA取代原来的酵母基因，从而引入新的突变。

基于此，研究团队通过CRISPEY高效构建了数千个酵母突变体，每个突变体只有一个碱基差异。这使得研究人员能够快速了解酵母代谢生长所需的碱基。

Retron + CRISPR=CRISPEY

无独有偶，哈佛大学的George Church 和麻省理工学院的Timothy Lu 领导的另外两个研究团队也在细菌中进行了类似的研究，并发表在预印本平台bioRxiv 上。

总而言之，这项研究首次明确了逆转录子的自然功能，逆转录子是细菌用来防御噬菌体的防御系统，并且可能在新型基因编辑工具的开发中得到应用。

正如合成生物学家Anna Simon 所说：“Retron 可能与CRISPR 一样具有革命性，但在我们对它们了解更多之前，很难说清楚。”

参考：