生命學(xué)院朱聽課題組報(bào)道鏡像基因轉(zhuǎn)錄與反轉(zhuǎn)錄系統(tǒng)
清華大學(xué)生命學(xué)院朱聽課題組于2019年2月7日在Chem雜志在線發(fā)表題為《鏡像基因轉(zhuǎn)錄與反轉(zhuǎn)錄》(Mirror-image gene transcription and reverse transcription) 的研究論文，報(bào)道利用化學(xué)生物學(xué)手段實(shí)現(xiàn)鏡像基因的轉(zhuǎn)錄與反轉(zhuǎn)錄。
圖1：鏡像基因轉(zhuǎn)錄與反轉(zhuǎn)錄系統(tǒng)示意圖
構(gòu)成生命最基本的生物大分子核糖核酸和蛋白質(zhì)具有手性特征。目前已知地球上所有生物都只選擇了其中一種手性的核酸和蛋白質(zhì)，即天然的DNA和RNA均由D型核糖組成，天然的蛋白質(zhì)均由L型氨基酸組成，而幾乎不使用相應(yīng)的鏡像版本。迄今為止沒有證據(jù)表明由鏡像分子構(gòu)成的生命系統(tǒng)在進(jìn)化中曾經(jīng)出現(xiàn)過。
生命系統(tǒng)中這一奇特的手性均一性特征引發(fā)了一系列有關(guān)生命起源及進(jìn)化的基礎(chǔ)性問題：為什么生命只選擇D型核酸和L型蛋白質(zhì)？鏡像生物大分子是否能夠完成相同的生化反應(yīng)？人類是否有可能在地球上人工創(chuàng)造一種鏡像的生命，不受自然界中各種酶消化、各種病毒入侵？
基于對(duì)上述生命起源及進(jìn)化中手性選擇問題的興趣，朱聽課題組致力于利用化學(xué)和分子生物學(xué)等多學(xué)科交叉手段構(gòu)建由L型核酸和D型蛋白質(zhì)組成的鏡像生物學(xué)系統(tǒng)。此前已報(bào)道鏡像DNA的復(fù)制、轉(zhuǎn)錄（Nat Chem, 8:698-704, 2016）、鏡像PCR擴(kuò)增（Cell Disc, 3:17037, 2017）、鏡像DNA測(cè)序（Cell Chem Bio, 25:1-6, 2018）等多個(gè)系統(tǒng)。此次報(bào)道的鏡像基因轉(zhuǎn)錄與反轉(zhuǎn)錄系統(tǒng)是構(gòu)建鏡像遺傳信息中心法則的重要組成部分。
如圖2（A）（B）所示，D型Dpo4的Y12S突變體可催化L型RNA引物以L型DNA為模板進(jìn)行延伸，利用該體系可轉(zhuǎn)錄出長(zhǎng)達(dá)120 nt的L型5S核糖體RNA。此外，該研究還發(fā)現(xiàn)野生型的Dpo4具有較高的反轉(zhuǎn)錄活性。如圖2（C）（D）所示，該酶的鏡像版本可催化L型DNA引物以L型RNA為模板進(jìn)行延伸，得到的反轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物可進(jìn)一步在鏡像PCR反應(yīng)中擴(kuò)增，使L型RNA的測(cè)序以及L型RNA 適配體的直接篩選成為可能。
此次報(bào)道的基于D型Dpo4聚合酶的鏡像轉(zhuǎn)錄與反轉(zhuǎn)錄系統(tǒng)較基于ASFV pol X的系統(tǒng)具有更高的熱穩(wěn)定性、聚合效率和保真度，能夠轉(zhuǎn)錄出長(zhǎng)達(dá)120 nt的鏡像5S 核糖體RNA，同時(shí)增加了由RNA到DNA的反轉(zhuǎn)錄活性，向構(gòu)建鏡像核酸適配體直接篩選系統(tǒng)和構(gòu)建基于鏡像核糖體的翻譯系統(tǒng)邁出了重要一步。
圖2 基于Dpo4聚合酶的鏡像轉(zhuǎn)錄與反轉(zhuǎn)錄系統(tǒng)
(A) 基于Dpo4聚合酶的鏡像轉(zhuǎn)錄與反轉(zhuǎn)錄系統(tǒng)示意圖；(B) 利用鏡像轉(zhuǎn)錄系統(tǒng)制備L型5S rRNA；(C) 以鏡像轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物為模板的鏡像反轉(zhuǎn)錄反應(yīng)；(D) 以鏡像反轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物為模板的鏡像PCR反應(yīng)。
論文鏈接：https://www.cell.com/chem/fulltext/S2451-9294(19)30025-7
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