Nature：逆转录开关

自上世纪80年代首次发现逆转录酶以来，研究人员一直感到困惑，他们想知道这些细菌的DNA序列到底是怎么回事。现在，EMBL的科学家已经确定，一些逆转录子编码毒素蛋白，它们在一小段DNA片段的帮助下保持不活跃。当细菌病毒(噬菌体)攻击细菌时，小DNA可以感知攻击并释放毒素。

“细菌染色体包含数百种不同的毒素/抗毒素系统，其功能未知，可能被用来抑制噬菌体，我们的发现提供了一种理解它们如何做到这一点的方法，”基因组生物学部门的小组领导人、EMBL微生物生态系统和感染生物学交叉主题的联合主席纳索斯·特帕斯(Nassos Typas)说。

简单地说，逆转录子包含一种被称为逆转录酶的酶，它以小RNA为模板产生多拷贝单链DNA (msDNA)。尽管科学家们知道这种msDNA是如何在许多细菌中产生的，但它在细胞中的功能和作用一直是一个谜，直到2020年6月，Typas团队和以色列魏茨曼科学研究所的Sorek团队在一个开放获取的预印本库中发布了他们的独立研究。

“30多年来，我们一直不知道为什么细菌有反转录子，因为没有任何表型与缺乏反转录子或msDNA的细胞相关，”该论文的第一作者雅各布·波博尼斯(Jacob Bobonis)说，他在Typas小组完成了博士学位。

但是当Typas小组的前成员发现了一条重要的线索——一种表型时，新的信息浮出水面。他们发现了一种致病菌：沙门氏菌在较低的温度下无法生长，不产生msDNA。该小组随后与德克萨斯农工大学的Helene Andrews-polymenis和她当时的博士后Johanna Elfenbein实验室合作。他们共同确认了这一点：沙门氏菌无法制造msDNA的细胞对缺氧也很敏感，这阻止了它们在牛的肠道中定殖。

虽然这些表型本身并没有显示出逆转录酶的特殊免疫防御能力，但它们为科学家进一步研究逆转录酶提供了一个起点。

Bobonis解释说:“我们很快意识到，逆转录酶虽然更复杂，但看起来与细菌中的其他称为毒素/抗毒素系统的系统非常相似。”

许多细菌的基因组中含有数百种毒素/抗毒素系统。一个基因编码一种能阻止细菌生长的有毒蛋白质(毒素)，但解毒剂(抗毒素)就在“有毒”基因的旁边。当两者共存时，细菌就会快乐地生长。但如果解药被移除，毒素就会活跃起来，抑制它们的生长。

“类似地，在我们的例子中，我们有制造msDNA的逆转录酶，如果我们删除它，‘毒素’就会被激活，”Bobonis说。“我们意识到，msDNA与逆转录酶一起形成了一类新的抗毒素。但我们仍然想知道，是什么‘开关’自然触发了这种生长抑制复合物。”

对于所有的染色体毒素/抗毒素系统，这些自然开关(触发器)几十年来一直难以捉摸。EMBL团队决定研究单个基因是否可以充当开关。他们提取了数千个细菌基因，并在EMBL的实验室中使用机器人装置逐个过度表达它们，以衡量它们是否可以触发毒素来抑制细菌。

最终，利用遗传学、蛋白质组学、生物信息学，并在EMBL的其他团队(萨维茨基、泽勒和贝特曼研究小组)的帮助下，他们解析出了机制，发现了病毒蛋白如何激活和阻断这些系统。他们甚至发现逆转录酶可以在单细胞水平上阻止病毒入侵。

“想象一下，你有10个细菌，一种病毒进入，只感染了其中一个。这种病毒会自我复制数百次，最终破坏细胞，使病毒从受感染的细胞溢出，并继续感染其他9个细胞(如果细菌在此期间进行了复制，则会感染更多)。在这种情况下，细菌种群被杀死，”Bobonis解释道。“在一个由病毒启动retron的细胞中，最初被感染的细胞会枯萎，但病毒也会枯萎，因为它需要细菌的机制来复制。没有最初被感染的细菌，病毒就会动摇，而逆转录病毒保护了其他菌群。”

科学家们一直在寻找利用噬菌体治疗人类细菌感染的方法。他们把这种疗法称为“噬菌体疗法”，在过去几年里，随着抗生素由于耐药性问题而变得不那么有效，这一方向的研究急剧增加。这项基础研究增加了知识体系，以帮助进一步的工作。

这项研究的一个重要成果是EMBL科学家改进的基于遗传学的方法:毒素激活/抑制偶联(TAC/TIC)。现在，其他科学家也可以进一步研究是什么触发了数千种其他的无特征毒素/抗毒素系统。利用微生物功能的巨大多样性，并揭示微生物与环境(包括它们的捕食者(噬菌体))相互作用背后的新机制，是EMBL新微生物生态系统横向主题的中心。

Typas说:“因为这些是细菌的内部自杀系统，知道它们的触发开关意味着我们有一个角度来设计人工毒素触发器，从外部激活毒素并杀死细胞。随着治疗耐药性病原体的有效抗生素变得稀缺，迫切需要这样的新策略。EMBL的感染生物学横向主题旨在更好地了解抗菌素耐药性，并找到减少、预防、逆转或绕过耐药性的新方法。”