RNA序列竟可寫入DNA，傳統“中心法則”遭受挑戰_風聞

“中心法則”的前世今生

説到“中心法則”（Central Dogma），想必大家定不會陌生，這一現代生命科學的基本定律由英國著名生物學家 Francis Crick 於 1958 年正式提出。它指明瞭遺傳信息的標準流程，即“DNA→DNA（DNA 的自我複製，replication），DNA→RNA（轉錄，transcription），RNA→蛋白質（翻譯，translation），蛋白質反過來協助前兩項流程以及 DNA 的自我複製”。除了極少數的逆轉錄病毒（retrovirus）存在着 RNA→RNA（RNA 的自我複製）、RNA→DNA（逆轉錄，reverse transcription）的情況外，地球上的絕大部分生命都遵循着這一規律。

Figure 1. The central dogma of molecular biology

在這幾十年的時間裏，“中心法則”幾近完美地解釋了生命中遺傳信息的傳遞路線，但近日，科學家們卻發現，事情遠沒有想象中那麼簡單。而這一切的“罪魁禍首”竟是一種名為“聚合酶”（Polymerases）的酶類元件。

過去，人們普遍認為聚合酶只能在複製或轉錄過程中進行單向工作，這使得 RNA 序列無法被逆向寫回 DNA。然而，近日美國托馬斯傑斐遜大學（Thomas Jefferson University）的研究人員卻表明，人類的 DNA 聚合酶竟可將哺乳細胞內的 RNA 信息重新寫入 DNA 中！這一發現無疑是對中心法則的挑戰與顛覆，並可能對生物學的眾多領域產生廣泛影響。

“叛變”的DNA聚合酶

2021 年 6 月 11 日，《科學進展》（Science Advances）雜誌發表了題為：Polθ reverse transcribes RNA and promotes RNA-templated DNA repair 的研究論文。該研究發現，人類的DNA聚合酶theta（polymerase theta，Polθ）能夠高效地將 RNA 信息編寫為 DNA ，這意味着人類細胞中存在着由 Polθ 介導的從 RNA 到 DNA 的遺傳信息的逆向流動。

在哺乳動物細胞的 14 種 DNA聚合酶中，只有 3 種酶負責細胞分裂前的基因組複製工作，剩下的 11 種主要是在 DNA 鏈斷裂或錯誤時進行檢測和修復任務。而此次實驗中所涉及到的 Polθ 就是負責 DNA 修復工作的一種聚合酶，它主要是對 DNA 損傷進行易位合成（translesion synthesis，TLS）；在雙鏈斷裂修復連接處通過延伸部分鹼基配對的 3’ 單鏈DNA（ssDNA），促進雙鏈斷裂處的微同源介導的末端連接（microhomology-mediated end-joining，MMEJ）。

Polθ 作為高等真核生物中一種獨特的 DNA 聚合酶 - 解旋酶融合蛋白（DNA polymerase-helicase fusion protein），其 A 家族聚合酶結構域是從 DNA 聚合酶 I（Pol I）演化而來的。但不同於 Pol I 的是，Polθ 並不能稱得上為一個“好員工”——它經常在修復過程中出錯，產生許多錯誤或突變。

據此，研究人員注意到它的這些“壞品質”與艾滋病病毒（HIV，為一種 RNA 逆轉錄病毒）中的逆轉錄酶（reverse transcriptases，RTs）存在着共同之處。（注：HIV 病毒中的 RTs 能起到 DNA 聚合酶的作用，也可以 RNA 為模板合成 DNA 鏈，即逆轉錄過程。）

Polθ 極易出錯且混雜，包含一個不活躍的校對域（inactive proofreading domain），可因獲得性突變而失活。研究團隊推測，Polθ 具有 RNA 依賴的 DNA 合成活性，並以此展開了一系列實驗。

結果表明，Polθ 可以將 RNA 信息轉化為 DNA，且表現出可與 HIV 病毒中的 RTs 相媲美的活性速率，此項能力甚至比它複製 DNA 這一“本職工作”做得更好。由於 Polθ 在使用 RNA 模板寫入新的 DNA 信息時，Polθ 比複製 DNA 時效率更高、犯錯率更低，研究人員認為，這表明這項能力可能才是 Polθ 的主要的細胞功能。

接下來，該研究的通訊作者 Richard Pomerantz 與美國南加利福尼亞大學（University of Southern California）的 Xiaojiang S. Chen 博士所在的實驗室合作，利用 X 射線晶體學知識解析了 Polθ 的 3.2-Å 晶體結構。結果發現，為了適應更大的 RNA 分子（A 型 DNA/RNA 雜交體），Polθ 可改變其自身形狀，即 57% 的拇指亞結構域（thumb subdomain）的 α 螺旋會重新摺疊成環，並與 DNA/RNA 引物模板上的核糖 2’- 羥基形成多個氫鍵——這一能力與逆轉錄病毒的 RTs 十分相似。

小結

此次研究的種種結果表明，Polθ 在哺乳細胞中的主要功能或的確是充當 RTs 的作用，且其高效的逆轉錄活性在人類聚合酶中似乎是獨一無二的。據此，研究人員還指出：在健康細胞中，Polθ 的作用可能是用於促進 RNA 介導的 DNA 修復；然而值得一提的是，Polθ 雖僅在少數組織類型中表達，但它在許多不健康的細胞（如癌細胞）中卻會進行高度表達，這一現象與較差的臨牀預後相對應。此外，Polθ 還能促進癌細胞的生長和耐藥性，即賦予對癌症療法的抗性及促進缺乏 DNA 損傷修復途徑的異常細胞的存活。

因此，通過揭示 Polθ 對 RNA 的活性及其如何促進 DNA 修復和癌細胞增殖，這項研究既挑戰了生命科學的基本定律“中心法則”，也提示了 Polθ 或許是一個極有前途的抗癌藥物靶點。

參考資料：

Science Paper：https://advances.sciencemag.org/content/7/24/eabf1771

Science Daily：https://www.sciencedaily.com/releases/2021/06/210611174037.htm