盡管你可能沒(méi)有意識到，也可能從未聽(tīng)說(shuō)過(guò)它們，但在你的體內，有無(wú)數被稱(chēng)為剪接體的微觀(guān)機器正在辛勤工作。當你坐著(zhù)閱讀時(shí)，它們正在忠實(shí)且迅速地重新組合你基因中被打斷的信息，通過(guò)移除被稱(chēng)為“內含子”的序列，使你的信使RNA能夠正確地合成細胞所需的蛋白質(zhì)。

內含子可能是我們基因組中最大的謎團之一。它們是打斷基因中有意義的蛋白質(zhì)編碼信息的DNA序列，需要被“剪切掉”。人類(lèi)基因組中有數十萬(wàn)個(gè)內含子，每個(gè)基因大約有7到8個(gè)，每一個(gè)都由一個(gè)專(zhuān)門(mén)的RNA蛋白復合體——剪接體——來(lái)移除，剪接體將所有內含子切除，并將剩余的編碼序列（稱(chēng)為外顯子）連接起來(lái)。這一系統如何在我們的基因組中演化尚不清楚。

曼尼·阿雷斯（Manny Ares），加州大學(xué)圣克魯斯分校的分子、細胞與發(fā)展生物學(xué)杰出教授，在其漫長(cháng)的職業(yè)生涯中，一直致力于盡可能多地了解RNA剪接。

阿雷斯說(shuō)：“我全心投入于剪接體。”“我只想了解剪接體的所有功能——即使我不知道它為什么這么做。”

在《基因與發(fā)展》雜志上發(fā)表的一篇新論文中，阿雷斯報告了有關(guān)剪接體的一個(gè)令人驚訝的發(fā)現，這可能會(huì )讓我們更多地了解不同物種的進(jìn)化以及細胞如何適應內含子這一奇怪問(wèn)題。作者展示了剪接體在完成mRNA剪接后仍保持活躍，并可以與被移除的內含子進(jìn)行進(jìn)一步的反應。

這一發(fā)現為我們提供了迄今為止最強的跡象，表明剪接體可能能夠將內含子重新插入基因組的另一個(gè)位置。這是剪接體之前被認為不具備的能力，但這種能力是“第二組內含子”（Group II introns）的常見(jiàn)特征，第二組內含子主要存在于細菌中，是剪接體的遠親。

圖片信息：所示為剪接途徑。前信使RNA（pre-mrna）有外顯子（藍色）和內含子（粉紅色）。

據信剪接體和第二組內含子共享一個(gè)共同的祖先，該祖先負責將內含子傳播到整個(gè)基因組中，但第二組內含子可以自行從RNA中剪切出來(lái)，然后直接插回DNA，而“剪接體內含子”則需要剪接體的幫助進(jìn)行剪接，并且之前認為不會(huì )被重新插回DNA。然而，阿雷斯實(shí)驗室的發(fā)現表明，剪接體今天可能仍在將內含子重新插入基因組。這是一個(gè)值得考慮的有趣可能性，因為重新引入DNA的內含子增加了基因組的復雜性，了解這些內含子的來(lái)源可以幫助我們更好地理解生物是如何繼續進(jìn)化的。

在一個(gè)有趣的發(fā)現基礎上展開(kāi)

一個(gè)生物的基因是由DNA組成的，在DNA中，腺嘌呤（A）、胞嘧啶（C）、鳥(niǎo)嘌呤（G）和胸腺嘧啶（T）以序列排列，編碼生物指令，如如何制造身體需要的特定蛋白質(zhì)。在這些指令可以被讀取之前，DNA需要被復制成RNA的過(guò)程稱(chēng)為轉錄，然后RNA中的內含子需要被移除，之后核糖體才能將其翻譯成實(shí)際的蛋白質(zhì)。

圖片信息：對釀酒葡萄球菌附加內含子的內含子環(huán)的檢測。

剪接體通過(guò)兩步過(guò)程移除內含子，使得內含子RNA的一端與中間部分連接，形成一個(gè)帶尾巴的圓形，看起來(lái)像牛仔的“套索”，因此被稱(chēng)為“套索內含子”。最近，布朗大學(xué)的研究人員在研究這些套索的連接位置時(shí)，發(fā)現一些內含子實(shí)際上是圓形的，而不是套索形的。

這一觀(guān)察立即引起了阿雷斯的注意。在RNA序列中移除后，似乎有東西與套索內含子發(fā)生了互動(dòng)，改變了它們的形狀，而剪接體是他的主要嫌疑對象。

阿雷斯說(shuō)：“這很有趣，因為關(guān)于內含子來(lái)源的這一古老觀(guān)念。”“有很多證據表明，剪接體的RNA部分，即snRNA，與第二組內含子密切相關(guān)。”

由于剪接體及其遠親第二組內含子的剪接化學(xué)機制非常相似，許多研究人員推測，當自剪切過(guò)程對第二組內含子來(lái)說(shuō)變得太低效以至于無(wú)法可靠完成時(shí)，這些內含子的部分演變成了剪接體。雖然第二組內含子能夠直接將自己插回DNA，但需要剪接體幫助的剪接體內含子則被認為不會(huì )被插回DNA。

阿雷斯說(shuō)：“在我看來(lái)，這個(gè)故事中缺少的一個(gè)問(wèn)題是，現代剪接體是否仍能將一個(gè)套索內含子插入基因組的某個(gè)地方？”“它是否仍具備祖先復合體所做的能力？”

為了解答這個(gè)問(wèn)題，阿雷斯決定調查是否確實(shí)是剪接體在對套索內含子進(jìn)行改造以去除其尾部。他的實(shí)驗室在酵母細胞中減慢了剪接過(guò)程，并發(fā)現剪接體在釋放完成剪接的mRNA后，仍然保留著(zhù)內含子套索，并將它們重塑為真正的圓形。阿雷斯實(shí)驗室能夠重新分析人類(lèi)細胞中已發(fā)布的RNA測序數據，并發(fā)現人類(lèi)的剪接體也具有這種能力。

阿雷斯說(shuō)：“我們對此感到興奮，因為雖然我們不知道這種圓形RNA可能會(huì )做什么，但剪接體仍然保持活躍的事實(shí)表明，它可能能夠催化套索內含子重新插入基因組。”

如果剪接體能夠將內含子重新插入DNA，這也將為剪接體和第二組內含子長(cháng)期以來(lái)共享一個(gè)共同祖先的理論增添重要依據。

驗證理論

既然阿雷斯及其實(shí)驗室已經(jīng)展示了剪接體具有將內含子假設性地重新放回DNA的催化能力，下一步就是研究人員創(chuàng )造一個(gè)人工情況，在這種情況下，他們將一個(gè)仍然附著(zhù)套索內含子的DNA鏈“喂”給剪接體，看看他們是否真的能將其插入某個(gè)位置，這將為這一理論提供“概念驗證”。

如果剪接體能夠將內含子重新插入基因組，這在人類(lèi)中可能是一個(gè)罕見(jiàn)的事件，因為人類(lèi)的剪接體需求極高，因此沒(méi)有太多時(shí)間來(lái)處理被移除的內含子。然而，在剪接體不那么忙碌的其他生物中，內含子的重新插入可能更為頻繁。阿雷斯正與加州大學(xué)圣克魯斯分校生物分子工程學(xué)教授拉斯·科貝特-德蒂格（Russ Corbett-Detig）密切合作，后者最近在《國家科學(xué)院院刊》（PNAS）上發(fā)表了一篇論文，該論文對所有含有內含子的物種的可用基因組進(jìn)行了系統而徹底的新內含子搜索。

PNAS上的論文顯示，遠古時(shí)期的內含子“爆發(fā)”事件可能一次性將數千個(gè)內含子引入基因組。阿雷斯和科貝特-德蒂格現在正在努力人工重現一個(gè)爆發(fā)事件，這將使他們能夠洞察當時(shí)基因組是如何反應的。

阿雷斯表示，他與科貝特-德蒂格的跨學(xué)科合作為他們打開(kāi)了研究?jì)群右恍┳畲笾i團的大門(mén)，如果沒(méi)有他們的聯(lián)合專(zhuān)長(cháng)，這些問(wèn)題可能無(wú)法被完全理解。

阿雷斯說(shuō)：“這是做事情的最佳方式。”“當你找到一個(gè)有相同問(wèn)題的人，但擁有不同的方法、視角、偏見(jiàn)和奇思妙想時(shí)，這會(huì )變得更加激動(dòng)人心。這讓你覺(jué)得你可以突破難題并解決這樣一個(gè)非常復雜的問(wèn)題。”

雜志：Genes & Development

DOI：10.1101/gad.351764.124