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噬菌體「神秘」基因組件 Z 核苷酸比想像更普遍 疑助早期生命適應地球嚴峻環境

2021/4/30 — 19:55

地球上的生物 DNA 通常都由 4 種核苷酸 (nucleotide) 即腺嘌呤 (A) 、鳥嘌呤 (G) 、胞嘧啶 (C) 、胸腺嘧啶 (T) 組成。但是,某些入侵細菌的病毒(噬菌體) DNA 攜帶 2-氨基腺嘌呤 (Z) 取代 A ,做法相信有助病毒在早期地球炎熱、嚴酷的條件下生存。最新刊於《科學》的三份研究則分別表明,核苷酸 Z 比以前認為的更廣泛存在,並解釋如何進入病毒的 DNA 。

1977 年,俄羅斯的一組科學家首次發現,入侵藍綠藻的病毒藻體 (cyanophage) DNA 用上 Z 核苷酸代替所有的 A ,但學界對於這種替換如何影響病毒所知甚少。到 1980 年代後期,有研究人員發現 Z 實際上為病毒帶來優勢,在高溫下更穩定、可在複製後令雙鏈的 DNA 更準確地重新結合; Z 核苷酸亦被指可抵抗細菌中某些破壞病毒的蛋白質。

兩種蛋白質涉 Z 核苷酸製造

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是次三個團隊各自使用不同基因組技術,確定噬菌體 Z 核苷酸進入基因組的途徑。首兩個法國團隊發現了兩種主要蛋白質 PurZ 與 PurB 涉及 Z 核苷酸的製造。

一旦藻體將其 DNA 注入細菌中自我複製,就會產生一系列轉化。該兩種蛋白形成一個 Z 核苷酸的前體分子,才將之轉化為 Z 核苷酸。然後其他蛋白質對其進行修飾, Z 核苷酸便可以將整合到其 DNA 中。

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第三個來自中國的團隊則發現,一種稱為 DpoZ 的 DNA 聚合酵素是負責將 Z 從原生 DNA 分子組裝至新 DNA分子。該團隊更發現, DpoZ 特別排除 A 核苷酸,而總是協助添加 Z 核苷酸至新的 DNA 。

200 噬菌體含 Z 基因組

幾十年來,學界僅知 Z 核苷酸存在於一種藍綠藻中,所以學界一直相信 Z 在基因組相當罕見。

上海科技大學生命科學與技術學院助理教授趙素文的團隊分析含 Z 核苷酸噬菌體的基因組排列,並將之與其他生物進行比較。團隊竟發現, Z 基因組實際上比以前更廣泛存在,並於 200 多種不同類型的噬菌體中出現。

法國巴斯德研究所的研究員 Pierre Alexandre Kaminski 有参與趙素文的研究與其中一個法國研究,他指攜帶 Z 基因組的噬菌體可被視為一種不同的生命形式,但現時很難知道其確切起源,所以有必要探索 PurZ 在噬菌體甚至其他生物中的廣泛程度。 Kaminski 的團隊有分析到 PurZ 的演化史,並發現其與古菌中合成 A 核苷酸的蛋白 PurA 有關。

Z 基因組或為地球早期生命帶來優勢

在伴隨該三份研究刊出的評論,耶魯大學醫學院副教授 Farren Isaacs 與分子、細胞與發育生物學博士後 Michael Grome 指,這種「遙遠」的演化聯繫令人懷疑,參與製造 Z 核苷酸的蛋白質是否首先在細菌中產生並最終被病毒取用,還是它們是否更頻繁地出現在地球的初步生命形式,甚至在細胞內出現。

他們指出, PurZ 與 DpoZ 通常是一起遺傳的,這表明 Z 基因組自 35 億年前的地球生命早期以來,就與正常 DNA 並存。他們又提到, 2011 年對 1969 年墜落於南極洲的隕石分析發現, Z 核苷酸以及一些可能來自地球外的標準和非標準核苷酸,「提高了 Z 基因組在早期生命形式中的潛在作用」。

趙素文則表示,如果 Z 基因組存在於地球早期歷史中,就可能為早期生命形式帶來優勢。她又認為帶 Z 基因組的生物在較熱和惡劣的早期地球環境中生存更為合適。

Kaminski 解釋, Z 核苷酸非常穩定。當正常 DNA 的兩條鏈連接在一起形成雙螺旋時,兩個氫鍵將 A 結合到 T ,三個氫鍵將 G 結合到C ;但當 A 被 Z 取代時,三個氫鍵會將 Z 與 T 更緊密地結合在一起,這亦是唯一修飾氫鍵的非正常 DNA 。

Z 基因組在當今物種中不廣泛不足為奇。趙素文認為, Z 核苷酸可以產生非常穩定但不靈活的 DNA ,對於許多生物性事件,例如復製 DNA ,需要解開雙鏈,額外的氫鍵使解開更加困難,所以在現代較為「舒適的環境」較少生物使用。

Z 核苷酸用途

儘管如此, Z 基因組的穩定性仍使其成為某些技術的理想選擇,例如有助於改善噬菌體治療,這是一種使用噬菌體的抗藥性細菌感染治療方法;發現也可提高基因治療中使用的 DNA 鏈壽命和靶向能力。此外,研究人員可研究將 Z 核苷酸整合到細胞中以改善細胞功能。

不過,趙素文提醒有關 Z 基因組的問題仍然有很多地方懸而未決。例如除幫助其逃避細菌防禦蛋白外,Z 基因組對噬菌體還具有哪些優勢。

來源:
Live Science, Some viruses have a mysterious 'Z' genome, 29 April 2021

報告:

  1. Zhou, Y., Xu, X.X., Wei, Y.F. & et al. (2021). A widespread pathway for substitution of adenine by diaminopurine in phage genomes. Science 30 Apr 2021: Vol. 372, Issue 6541, pp. 512-516. DOI: 10.1126/science.abe4882
  2. Sleiman, D., Garcia, P.S., Laguna, M. & et al. (2021). A third purine biosynthetic pathway encoded by aminoadenine-based viral DNA genomes. Science  30 Apr 2021: Vol. 372, Issue 6541, pp. 516-520. DOI: 10.1126/science.abe6494
  3. Pezo, V., Jaziri, F., Bourguignon, P. & et al. (2021). Noncanonical DNA polymerization by aminoadenine-based siphoviruses. Science 30 Apr 2021: Vol. 372, Issue 6541, pp. 520-524. DOI: 10.1126/science.abe6542

文/Alan Chiu

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