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我国青年学者在镜像基因转录与反转录系统取得新进展
2019年02月25日    作者: 张艳,胡海宇,陈拥军    发布 : 化学科学部

在国家自然科学基金(批准号:21750005, 21532004, 21621003, 31470532, 31711530153,91543102)、科技部等的资助下,清华大学朱听课题组2019年2月7日在Chem(《化学》)杂志在线发表题为"Mirror-image gene transcription and reverse transcription"(镜像基因转录与反转录)的研究论文,doi: https://doi.org/10.1016/j.chempr.2019.01.001,报道利用化学生物学手段实现镜像基因的转录与反转录,论文链接:https://www.cell.com/chem/fulltext/S2451-9294(19)30025-7。

构成生命最基本的生物大分子核糖核酸和蛋白质具有手性特征。目前已知地球上所有生物都只选择了其中一种手性的核酸和蛋白质,即天然的DNA和RNA均由D型核糖组成,天然的蛋白质均由L型氨基酸组成,而几乎不使用相应的镜像版本。迄今尚无证据显示由镜像分子构成的生命系统曾在进化中出现过。生命系统中这一奇特的手性均一性特征引发了系列有关生命起源及进化的基础性问题:为什么生命只选择D型核酸和L型蛋白质?镜像生物大分子是否能够完成相同的生化反应?人类是否有可能在地球上人工创造一种镜像的生命,不受自然界中各种酶消化、各种病毒入侵?

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图1:镜像基因转录与反转录系统示意图

基于对上述生命起源及进化中手性选择问题的兴趣,朱听课题组致力于利用化学和分子生物学等多学科交叉手段构建由L型核酸和D型蛋白质组成的镜像生物学系统。前期已在镜像DNA的复制、转录(Nat Chem, 8:698-704, 2016)、镜像PCR扩增(Cell Disc, 3:17037, 2017)、镜像DNA测序(Cell ChemBio, 25:1-6, 2018)等多个体系进行研究。此次报道的镜像基因转录与反转录系统是构建镜像遗传信息中心法则的重要组成部分。

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图2基于Dpo4聚合酶的镜像转录与反转录系统

(A)基于Dpo4聚合酶的镜像转录与反转录系统示意图;(B) 利用镜像转录系统制备L型5S rRNA;(C) 以镜像转录产物为模板的镜像反转录反应;(D) 以镜像反转录产物为模板的镜像PCR反应。

如图2(A)(B)所示,D型Dpo4的Y12S突变体可催化L型RNA引物以L型DNA为模板进行延伸,利用该体系可转录出长达120 nt的L型5S核糖体RNA。此外,该研究还发现野生型的Dpo4具有较高的反转录活性。如图2(C)(D)所示,该酶的镜像版本可催化L型DNA引物以L型RNA为模板进行延伸,得到的反转录产物可进一步在镜像PCR反应中扩增,使L型RNA的测序以及L型RNA 适配体的直接筛选成为可能。此次报道的基于D型Dpo4聚合酶的镜像转录与反转录系统较基于ASFVpol X的系统具有更高的热稳定性、聚合效率和保真度,能够转录出长达120 nt的镜像5S核糖体RNA,同时增加了由RNA到DNA的反转录活性,向构建镜像核酸适配体直接筛选系统和构建基于镜像核糖体的翻译系统迈出了重要一步。ACS Central Science(《ACS中心科学》)杂志的Center Stage (《中央舞台》)专栏与Chemical& Engineering News(《化学与工程新闻》,简称C&EN)杂志详细介绍了该课题组在“镜像生物学”研究领域的进展及未来发展方向。原文链接:ACS Central Science: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscentsci.8b00432; Chemical & Engineering News: https://cen.acs.org/biological-chemistry/biochemistry/Bioengineer-Ting-Zhu- building-mirror/96/i34。

化学科学部:张艳,胡海宇,陈拥军

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