PNAS论文详解！人细胞可以在细胞质中合成DNA
在过去的十年中，有零星的报告称在疾病和衰老的情况下，细胞质中发现了哺乳动物细胞自身的DNA。虽然在细胞质中发现来自入侵有机体的DNA并不罕见，但是发现来自有机体自身的遗传密码--以从RNA模板合成的互补DNA（cDNA）的形式---却让科学家们感到困惑。在每一种情况下，cDNA都来自于内源性逆转录转座子（endogenous retrotransposon），其结果是将自身的新拷贝插入到基因组中。这个过程通常发生在细胞核中，所以人们很难解释细胞质中cDNA的存在。
在一项新的研究中，美国弗吉尼亚大学眼科医生Jayakrishna Ambati和他的同事们在模拟一种退行性眼病的细胞的细胞质中检测到了人类基因组中最丰富的逆转录转座子Alu的cDNA后，决定调查它的神秘起源。他们的研究结果显示，人类细胞实际上可以在细胞质中合成Alu的cDNA。相关研究结果于2021年2月9日在线发表在PNAS期刊上，论文标题为“Cytoplasmic synthesis of endogenous Alu complementary DNA via reverse transcription and implications in age-related macular degeneration”。
图片来自Jacqueline R. Kemp et al. Frontiers in Chemistry, 2015, doi:10.3389/fchem.2015.00068。
美国约翰霍普金斯大学遗传学家Haig Kazazian（未参与这项新的研究）说，这是一个“潜在的突破性信息”。
Kazazian研究逆转录转座子已有数十年，尤其关注LINE-1（L1）。L1编码的蛋白既能将RNA逆转录为DNA，又能切割核酸让该DNA插入。在20世纪90年代末，他和他的同事们证明了这种可移动元件的复制和粘贴机制是耦合的（Cell, 1996, doi:10.1016/S0092-8674(00)81997-2）：逆转录发生在基因组DNA被切割的位点。L1在基因组中进行自我扩增，Alu也用L1来做同样的事情。
Ambati的研究表明，L1在细胞质中对Alu进行逆转录，而不依赖于基因组插入。Kazazian说，这个发现是激动人心的，支持这一发现的证据看起来相当不错。
在没有基因组DNA的情况下启动DNA合成，这提出了一个有趣的问题：它是如何发生的？逆转录酶需要一个短的核酸序列---与RNA模板分子结合的引物（primer）---才能启动。通常情况下，在基因组插入位点上的一段短链的核DNA序列用于启动Alu逆转录，但在细胞质中，这样的序列是不存在的。
通过探究Alu的序列和它的RNA结构（Molecular Cell, 2015, doi:10.1016/j.molcel.2015.10.003），Ambati及其研究团队推测，这种逆转录转座子可能会进行自我启动（self-prime），即进行自我折回（Nucleic Acids Research, 1997, doi:10.1093/nar/25.8.1641）。只有另外一种来自啮齿动物基因的RNA分子被证明可以进行自我启动，但不是在细胞质中。这项新研究的数据表明，Alu确实能够自我启动，提供逆转录酶用来启动合成的序列。Ambati说，“这确实为这一事件如何真正发生在细胞质中提供了机制上的解释，毕竟在细胞质中显然没有任何东西来启动它。”
细胞质cDNA与疾病存在关联
Ambati及其同事们在研究萎缩性年龄相关性黄斑变性（AMD）时发现了Alu的细胞质合成。十年前，他们发现Alu RNA的积累会诱导眼睛中一层称为视网膜色素上皮（retinal pigment epithelium, RPE）细胞的细胞死亡（Nature, 2011, doi:10.1038/nature09830），这一现象与这种无法治疗的疾病有关。从那时起，一系列的发现为这种疾病提供了更详细的细胞图景---比如，Alu最终会引发炎症，这是许多年龄相关并发症的特征。在这项新的研究中，研究人员发现，在细胞质中合成的Alu cDNA---而不是插入基因组的Alu cDNA---是萎缩性AMD中毒性的关键。
由于Alu是一种依靠逆转录酶增加自身拷贝数的逆转录酶，Ambati及其同事们推测，核苷类逆转录酶抑制剂（nucleoside reverse transcriptase inhibitor, NRTI）---目前用于治疗逆转录病毒感染的药物---可以阻止Alu的积累。2014年，Ambati团队在人类和小鼠细胞中测试了这一想法，并发现这些药物确实可以防止RPE变性，但却是通过它们之前未知的抗炎特性来实现的（Science, 2014, doi:10.1126/science.1261754）。在这项最新的研究中，该团队发现NRTI还能抑制RPE细胞胞质中的cDNA合成，这表明NRTI有可能从两个方面阻止AMD：（1）对抗炎症；（2）拦截转录。
由于NRTI在实验室中有效预防RPE变性的有力证据，而且这些药物已经在临床上使用了几十年，这些研究人员决定查阅美国四个独立医疗保险数据库的档案。他们想评估用于其他目的的NRTI是否会有减少萎缩性AMD发病率的意外好处。他们针对近3500万成年人的分析显示服用NRTI的患者患萎缩性AMD的风险降低了近40%。
Ambati说，最终，还需要进行前瞻性的随机试验，以观察这些药物是否能减少萎缩性AMD的进展。Ambati也是Inflammasome Therapeutics公司的联合创始人，该公司致力于开发治疗退行性疾病的药物。由于NRTI是有毒副作用的，他的团队已经开发了NRTI的改良版本，称为Kamuvudines，它们在细胞培养物和动物模型中同样有效，但更安全。据Ambati透露，Inflammasome Therapeutics公司可能会在今年开始利用Kamuvudines开展临床试验。
美国罗切斯特大学的Vera Gorbunova（未参与这项新的研究）说，“这是一个非常有前途的方向。”她补充说，NRTI有可能被用来治疗与炎症有关的各种疾病。她研究衰老，并且已经观察到老龄小鼠细胞中的L1 cDNA在细胞质中积累（Nature, 2019, doi:10.1038/s41586-018-0784-9）。她的团队之前讨论过导致细胞质cDNA形成的未知机制（Cell Metabolism, 2019, doi:10.1016/j.cmet.2019.02.014），并提到细胞质中的逆转录是一种潜在的解释。
她说，“当我们那时发表那篇论文时，我们不得不与前段时间提出的逆转录机制的观点进行斗争---它发生在细胞核中[并且]它使用基因组DNA，当情况进展顺利时，它可能会这样做。但当情况事情进展不顺利时，[逆转录]可能会在细胞质中发生。我很高兴看到这个证据。”
中国澳门科技大学眼科医生Kang Zhang曾与Ambati合作，并评论了后者的这篇最新论文，他说，cDNA在细胞质中合成的发现可能也与其他疾病有关，如癌症、神经变性和心血管疾病。他说，“细胞质中发生的事情太多了。随着这一发现的出现，像我这样的科学家现在正回过头来研究一些我们无法理解也无法解释的现象。这相当令人兴奋。这是理论上的根本变化。”
参考资料：
1.Shinichi Fukuda et al. Cytoplasmic synthesis of endogenous Alu complementary DNA via reverse transcription and implications in age-related macular degeneration. PNAS, 2021, doi:10.1073/pnas.2022751118.
2.Qinghua Feng et al. Human L1 Retrotransposon Encodes a Conserved Endonuclease Required for Retrotransposition. Cell, 1996, doi:10.1016/S0092-8674(00)81997-2.
3.Valentina Ahl et al. Retrotransposition and Crystal Structure of an Alu RNP in the Ribosome-Stalling Conformation. Molecular Cell, 2015, doi:10.1016/j.molcel.2015.10.003.