朱聽課題組報道鏡像基因轉錄與反轉錄系統

生物極客2019-02-18 11:20:38

清華大學生命學院朱聽課題組於2019年2月7日在Chem雜誌在線發表題為《鏡像基因轉錄與反轉錄》(Mirror-image gene transcription and reverse transcription) 的研究論文,報道利用化學生物學手段實現鏡像基因的轉錄與反轉錄。

 

圖1:鏡像基因轉錄與反轉錄系統示意圖

構成生命最基本的生物大分子核糖核酸和蛋白質具有手性特徵。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,即天然的DNA和RNA均由D型核糖組成,天然的蛋白質均由L型氨基酸組成,而幾乎不使用相應的鏡像版本。迄今為止沒有證據表明由鏡像分子構成的生命系統在進化中曾經出現過。

生命系統中這一奇特的手性均一性特徵引發了一系列有關生命起源及進化的基礎性問題:為什麼生命只選擇D型核酸和L型蛋白質?鏡像生物大分子是否能夠完成相同的生化反應?人類是否有可能在地球上人工創造一種鏡像的生命,不受自然界中各種酶消化、各種病毒入侵?

基於對上述生命起源及進化中手性選擇問題的興趣,朱聽課題組致力於利用化學和分子生物學等多學科交叉手段構建由L型核酸和D型蛋白質組成的鏡像生物學系統。此前已報道鏡像DNA的複製、轉錄(Nat Chem, 8:698-704, 2016)、鏡像PCR擴增(Cell Disc, 3:17037, 2017)、鏡像DNA測序(Cell Chem Bio, 25:1-6, 2018)等多個系統。此次報道的鏡像基因轉錄與反轉錄系統是構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為模板進行延伸,利用該體系可轉錄出長達120 nt的L型5S核糖體RNA。此外,該研究還發現野生型的Dpo4具有較高的反轉錄活性。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為模板進行延伸,得到的反轉錄產物可進一步在鏡像PCR反應中擴增,使L型RNA的測序以及L型RNA 適配體的直接篩選成為可能。

此次報道的基於D型Dpo4聚合酶的鏡像轉錄與反轉錄系統較基於ASFV pol X的系統具有更高的熱穩定性、聚合效率和保真度,能夠轉錄出長達120 nt的鏡像5S 核糖體RNA,同時增加了由RNA到DNA的反轉錄活性,向構建鏡像核酸適配體直接篩選系統和構建基於鏡像核糖體的翻譯系統邁出了重要一步。

 

圖2 基於Dpo4聚合酶的鏡像轉錄與反轉錄系統

(A) 基於Dpo4聚合酶的鏡像轉錄與反轉錄系統示意圖;(B) 利用鏡像轉錄系統製備L型5S rRNA;(C) 以鏡像轉錄產物為模板的鏡像反轉錄反應;(D) 以鏡像反轉錄產物為模板的鏡像PCR反應。


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