陳軼翔/編譯

轉座子：一個可移動的防御武器

陳軼翔/編譯

轉座子構成了多達90%的玉米基因組，并導致玉米粒顏色的差異。這是造成多樣性免疫防御體系的根本原因

●在病原體和宿主之間的進化軍備競賽中，被稱為轉座子的遺傳因素常常發(fā)揮著細胞防御的攻擊性武器之功效。

研究人員現(xiàn)在意識到，遺傳物質一旦簡化為整齊的有機體包，就不僅限于個體，甚至物種——當包內的遺傳物質轉化為穩(wěn)定的感染性病毒微粒后，可以將部分或全部基因導入宿主基因組，即使病毒本身已經離開，但殘留物依然存在。在較小范圍內,裸露的遺傳因子如轉座子（transposon)、細菌質?；蛱S基因，經常穿梭般地往返于基因組之間，似乎整個生命歷程就是由這種移動的轉座子和其細胞宿主之間進行的一場連續(xù)不斷的拔河比賽。

轉座子遍及整個生物圈。在我們所研究的棲息地中，從海洋、土壤，再到人類腸道，可檢測的病毒顆粒數(shù)（主要是噬菌體）至少超過細胞的十倍，甚至更多。此外，轉座子及其殘留物構成了很多生物體基因組的大部分——多達三分之二的人類基因組和接近于90%的植物，如玉米基因組。

盡管轉座子普遍存在于不同的基因組中，但歷來被視為無功能的垃圾DNA。從二十世紀中葉開始，通過植物遺傳學家芭芭拉·麥克琳托克（Barbara McClintock）的開創(chuàng)性工作，并在其后的幾十年中，科學家將研究范圍從植物延伸到生物體，證明了轉座子序列可以執(zhí)行各種細胞功能，特別是對基因表達的調控。近期的研究表明，很多生物體也通過轉座子在基因組之間移動或修改DNA序列?？梢姡瑹o論是脊椎動物還是微生物，在適應性免疫進化中轉座子的作用舉足輕重。直到最近，還發(fā)現(xiàn)一種適應性免疫，即成簇的規(guī)律間隔的短回文重復序列（CRISPR-Cas）相關蛋白基因，已經引發(fā)了新一代的基因組改造工具的開發(fā)。

轉座子與適應性免疫

就細胞的防御體系進化而言，幾乎發(fā)生于包括從細菌到哺乳動物的所有生物體。但仔細研究后，就會發(fā)現(xiàn)其機制進化很大程度上依賴于轉座子，而轉座子本身就是宿主免疫防御的目標。

如同現(xiàn)實生活中的小偷盜取主人財產一樣，寄生蟲也會在離開或死亡前殺死它們的宿主，最終導致整個生態(tài)群落的崩潰，盡管宿主對此并非毫無防備。而免疫系統(tǒng)的多樣性和復雜性是驚人的：其功能從直接的、非特異性的本能反應，到精心編排的適應性反應，范圍極其廣泛，包括在最初遭遇病原體攻擊之后發(fā)生的適應性反應直至產生終身免疫記憶。

圖1

圖2

在過去二十年左右的時間里，越來越多的研究證明，幾乎所有的生物體都擁有多個先天免疫機制。比如，大多數(shù)動物具有的Toll樣受體（TLR）在遭到入侵時，能夠從病原體中識別出保守因子并激活免疫系統(tǒng)中的恰當成分。而更古老且普遍存在的RNA干擾（RNAi），則是一種利用被稱為小干擾RNA（siRNAs）作為介導的防御體系，以抵御入侵的主要為RNA病毒核酸。從概念上講，小干擾RNA的生物學功能類似于Toll樣受體，即本能的對多類別病原體作出免疫反應。

就原核生物而言，它自身固有的一套先天免疫機制在抵御入侵物的同時，其遺傳物質甲基化酶會修飾相應的位點，以保護細胞自身DNA不被限制性內切酶破壞。這被稱為限制修飾系統(tǒng)（RM）。如果遭遇大量病原體入侵，為防止其傳播，大部分原核細胞會程序性死亡或休眠——被感染的細菌或古生菌激活毒素-抗毒素系統(tǒng)（TA），進而導致細胞休眠或死亡。

然而，很多病毒會對RM和TA進行編碼。實際上這些病毒是一種獨特的轉座子，在利用RM方面，病毒與其原核宿主有著同樣的目的：甲基化酶可以對病毒基因組修飾，內切酶則降解宿主細胞中被修飾的基因組，為病毒基因組的重新拷貝提供核苷酸。而TA能夠確保細胞內質?；虿《镜拇媪簟?/p>

至于毒素蛋白和抗毒素蛋白的區(qū)別，則在于細胞中蛋白水解酶對它們的影響不同：前者穩(wěn)定，后者易變。若這兩種基因在細胞分裂過程中丟失，抗毒素蛋白會迅速降解，剩余的毒素足以阻止細胞的合成，至少使其休眠。但如果轉座子丟失了，一個在基因組中攜帶TA模塊的質粒或病毒就會在被其激活的宿主中植入一個自毀機制（如圖1所示）。

當轉座子插入到宿主基因組時，通常會利用一個由轉座子編碼的重組酶（也稱作整合酶或轉座酶）對其進行修飾，確保轉座子在宿主基因組內繁衍。然而，考慮到轉座子在生命形式中無處不在，宿主肯定會通過一些自然進化的基因組工具達到自己的目的，而免疫記憶是這些工具中效用最明顯的一個。現(xiàn)在看來，轉座子及其重組酶對適應性免疫原核形式起源的關鍵貢獻，也就不足為奇了。

左為轉座子的偽色透射電子顯微照片：這段DNA可以在染色體和基因組之間移動；右為大麗花的顏色差異是由轉座子引發(fā)的突變造成的

關于免疫機制的假說

一直以來，原核生物被認為完全缺乏脊椎動物那種抵御寄生蟲的適應性免疫。然而，該觀點被研究者們以一種引人注目的方式推翻：即CRISPRCas以及基于RNA干擾（RNAi）的防御體系被發(fā)現(xiàn)存在于迄今被研究的大多數(shù)古生菌和細菌之中。2005年，西班牙阿利坎特大學的弗朗西斯科·莫佳卡（Francisco Mójica）、法國巴斯德研究所的達斯科·埃利希（Dusko Ehrlich）各自發(fā)現(xiàn)鑲嵌在CRISPR之間的被稱為間隔段的獨特序列（與噬菌體或質?；蚪M斷片相同）。結合對Cas蛋白質的詳細分析，上述這些發(fā)現(xiàn)使庫寧（Koonin）及其團隊于2006年提出，源于CRISPR-Cas起到一種原核適應性免疫的作用，加上CRISPR包（成簇的短小、直接重復序列）里儲存的感染記憶在非重復性間隔段中穿插，由此產生了一個關于免疫機制的假說。

在隨后進行的一系列研究與實驗，都證實了這一假說，即CRISPR-Cas執(zhí)行其功能的途徑是：將外來噬菌體或質粒DNA斷片整合到CRISPR包中，并通過這些獨特間隔段的轉錄來指導RNA識別并斷開重復入侵者的基因組（如圖2所示），其關鍵特征有能力將有效的、特定的免疫代代傳播。因此，CRISPR-Cas不僅是一種適應性免疫系統(tǒng)，而且是拉馬克進化的一個真正機器，即環(huán)境的挑戰(zhàn)，在這里就是由病毒或質粒直接造成基因組發(fā)生特定的變化，進而導致一種遺傳后代的適應。

根據(jù)參與CRISPR轉錄處理和目標識別的Cas蛋白質群，大量關于基因組結構的比較研究都體現(xiàn)了CRISPR-Cas體系多樣化的特征。比如，I型和III型體系采用由多個Cas蛋白質組成的復雜蛋白質復合物，II型體系則與一個被稱為Cas9的單獨的蛋白質發(fā)生反應。這些發(fā)現(xiàn)為開發(fā)新一代基因組編輯工具敞開了大門——眾多實驗室都在利用基于Cas9工具進行基因組工程開發(fā)。這比前CRISPR時代可用的方法更快、更靈活和更具多樣化用途。

利用CRISPR似乎并不是人類獨有的專利，病毒也在做同樣的事情。例如，一個感染了致病性霍亂弧菌的噬菌體，會攜帶其自身的適應性來應對駐留在宿主基因組的另一個轉座子——在噬菌體感染時，另一個轉座子[即導致染色體島狀成分的噬菌體（PLE）]將自己從細胞基因組中切除，以抑制噬菌體繁衍。與此同時，CRISPR-Cas則以毀滅PLE作為目標，來確保噬菌體的成功繁衍。

因此，在原核生物中，所有防御系統(tǒng)似乎都是供出租的武器，為出價最高者服務。有時，不可能確切地知道，不同的防御機制究竟首次出現(xiàn)在細胞還是轉座子中。

圖3圖3

或有更多的拉馬克機制

我們團隊最新組織的證據(jù)也支持了CRISPRCas體系的轉座子起源，即CRISPR-Cas的關鍵酶Cas1是負責獲取外來DNA，然后將其插入CRISPR包中的間隔段。這與多樣轉座子重組酶活動有驚人的相似性，盡管Cas1不屬于任何已知的重組酶科。但作為CRISPR-Cas系統(tǒng)的一個無所不在的成分，Cas1很可能對于CRISPR-Cas免疫的出現(xiàn)是至關重要的。

在最近一次對古生菌DNA暗物質（即測序基因組中成簇的非特征性基因）的探測中，我們意外地發(fā)現(xiàn)了一個新型的類轉座子科，它對于Cas1的起源發(fā)揮著關鍵作用。這些之前未曾關注的轉座子在其兩個末端都有反向重復序列，就像其他轉座子一樣。但它們的基因含量是不尋常的，即存在于古生菌和細菌基因組中的新轉座子是高度的多態(tài)化（不同的成員包含6到20個基因不等），其中只有兩個保守的共享基因，其一負責對DNA聚合酶編碼，表明這些轉座子為自身復制提供關鍵的蛋白質。更令人驚喜的是另一個保守蛋白質，即Cas1的同族體，為CRISPR-Cas體系中的關鍵蛋白質。

與脊椎動物相比，適應性免疫在原核生物中的作用方式是完全不同的，在生命周期中，后者是基于對特定病原體T-和B-淋巴細胞抗原受體的獲取。由于大多數(shù)免疫球蛋白受體是少數(shù)基因通過專門處理方式產生的，其過程被稱為V（可變的）、D（多樣性），和J（連接）片段(V(D)J)的重組和突變（如圖3所示）。

與CRISPR-Cas相似的是，脊椎動物適應性免疫的起源似乎也有轉座子的影子——V(D)J是由RAG1-RAG2重組酶復合物介導的（RAG1源于一個被稱作Transib的獨特的動物轉座子群的重組酶）。而免疫球蛋白基因重組信號序列，則由RAG1-RAG2重組酶識別，至于V（D）J基因片段，似乎也經由Transib進化發(fā)育。

事實上，鑒于轉座子是免疫系統(tǒng)的主要目標，原核Casposon中的CRISPR-Cas起源和脊椎動物Transib轉座子V(D)J的重組看似是矛盾的。然而，考慮到轉座子的無所不在和多樣性，在生命歷程中似乎有更多的拉馬克機制（一種系統(tǒng)的生物進化學說）在指導著基因組的變化。

此外，對于基因組改造和其他所需實驗工具的開發(fā)，免疫系統(tǒng)的基因處理能力提供了幾乎無限的可能。幾十年來，抗體作為蛋白質檢測工具以及RM作為DNA分子的特異性片段化所具有的效力，對于生物學的發(fā)展至關重要。CRISPR-Cas系統(tǒng)最近已被添加到工具包中，可以說它是新一代最有前途的分子生物學的方法。至于生物體防御系統(tǒng)中很多未知的方面（特征也不明顯），這對于基因組工程來說其中還隱藏著多少機會呢？

[資料來源：The Scientist][責任編輯：則鳴]

本文作者：尤金·庫寧（Eugene Koonin)，生物學家，就職于美國國家生物技術信息中心；馬爾特·庫珀維奇（Mart Krupovic)，微生物學家，就職于法國巴斯德研究所。