Computational Evidence that Array-Associated Reverse Transcriptase Loci Are Retron Systems with Multiple ncRNA Genes

地球上の生命は、遺伝的な侵入者と、それらが感染しようとする生物との間の絶え間ない交渉の連続です。細菌と、それらを狩るウイルスであるファージは、数十億年にわたって進化の軍拡競争を続けてきました。生き残るために、細菌は洗練された防御システムを進化させてきました。その中には、逆転写酵素と呼ばれる特殊なタイプの酵素に依存するものもあります。この酵素は分子のコピー機のようですが、DNAをより多くのDNAへとコピーするのではなく、RNAを読み取って、RNAとDNAの両方からなる独特なハイブリッド分子を作り出します。既知の多くの細菌防御システムにおいて、このプロセスは、酵素と、何をコピーすべきかを指示する特定のRNAガイドというペアによって管理されています。最近、科学者たちはバクテリオファージの中に奇妙な新しい一族のこれらの酵素を発見しましたが、その目的や仕組みは謎のままでした。

インディアナ大学ブルーミントン校のユージェン・イェによる新しい研究は、これらの謎めいたシステムに対する新たな視点を提示しており、それらは完全に新しい発明ではなく、既知の防御ツールの奇妙な変種であることを示唆しています。研究者たちは、アレイ関連逆転写酵素（ART）と呼ばれる酵素のグループに注目しました。これらは最初、バクテリオファージのゲノム内で発見されました。そこでは、細菌が過去の感染を記憶するために使用する防御アレイに似た、長く繰り返されるDNAの領域の隣に位置していました。最初の発見では、これらは新しい一族として記述されていましたが、新しい分析は異なる物語を提示しています。コンピュータプログラムを使用して遺伝コードを調べ、RNA分子がどのように三次元的な形状に折り畳まれるかを予測することによって、本研究は、これらのARTシステムが実際には既知の防御システムの独特なタイプであり、その特徴は、単一のガイドではなく、多数のRNAガイドが列状に配置されていることであると提案しています。

調査は、これらの酵素が住んでいる遺伝的な近隣地域を詳しく調べることから始まりました。研究者たちは、いくつかのバクテリオファージのゲノムと土壌由来の環境DNAを分析し、既知の防御システムの特定の遺伝的シグネチャーを探索しました。彼らは、問題となっている酵素が、他の種類の酵素ではなく、標準的な細菌防御システムに見られる逆転写酵素に最も類似していることを発見しました。この類似性は、それらが同じ一族に属していることを示唆するのに十分なほど強力なものでした。しかし、真の驚きは、チームがこれらの酵素を取り巻くDNAを見たときに起こりました。典型的なように酵素の隣に単一のRNA遺伝子を見つける代わりに、彼らは複数のRNA遺伝子を含む長いアレイを発見したのです。あるウイルスでは5つのコピーがあり、別のウイルスでは7つ、そして土壌DNAの断片には14個ものコピーがありました。

一見すると、これらの繰り返されるRNA配列は、色が異なり窓のスタイルも異なる一列の家々のように、互いに非常に異なって見えました。遺伝コードの文字だけを見れば、その違いは顕著でした。しかし、研究者たちはコンピュータモデルを使用して、これらのRNA鎖が物理的な形状にどのように折り畳まれるかを予測しました。予測された構造を調べたとき、明確なパターンが現れました。遺伝的な文字の違いにもかかわらず、これらのRNA分子はすべて同様の形状に折り畳まれました。決定的なことに、それらはすべて、防御システムが機能するために不可欠とされる特定の構造的特徴、例えば、酵素の重要な開始点を保持する特定のループや、酵素がRNAを認識するのを助ける他の安定した領域を保持していました。

この発見は、これらのシステムが全く新しい種類の防御メカニズムであるという考えに異を唱えるものです。最初の発見では、繰り返されるDNAが細菌が過去のウイルス攻撃を記憶するために使用するアレイに似ていることが指摘されており、これが新しい種類のシステムであるという仮説が立てられていました。新しい研究は、その記憶アレイへの類似性は表面的なものであることを示唆しています。繰り返されるユニットは、記憶の同一のコピーではなく、時間の経過とともに分岐した一連の関連するRNA遺伝子なのです。それらは表面上は異なって見えますが、異なるタスクのために修正されたツールの一族が、依然として共通の核となるメカニズムを共有しているのと同様に、同じ基礎となる設計図を共有しています。研究者たちは、酵素が掴み取り、使用する必要がある最も重要な部分、つまり構造の重要な部分は、配列の他の部分が変化しても、すべてのコピーにわたって保存されていることを発見しました。

この研究は、これらのシステムが何をするのかという謎のすべてを解明したと主張しているわけではありません。研究者たちは、自分たちの結論が直接的な実験に基づくものではなく、遺伝配列と予測された形状のコンピュータ分析に基づいていることを強調しています。彼らは、これらのシステムがおそらく、単一の酵素が複数のRNAガイドのタンデムアレイと対になっているという、珍しいアーキテクチャを代表していると考えています。この配置により、ウイルスは単一の酵素から多様な防御製品を生み出すことができるか、あるいは、異なる脅威に対して防御を多様化させる方法である可能性があります。また、これらのRNAコピーのいくつかは、進化の過去における非機能的な残骸である可能性もあります。著者は、これらのシステムがどのように機能するかを確認するためには、科学者がラボでこれらのウイルスを培養し、分子を抽出し、酵素が実際に作用して期待されるハイブリッド分子を作り出すかどうかを観察する必要があると述べています。

最終的に、この研究は、最近発見された生物学的システムに対する私たちの理解を再構築するものです。それは、一見すると未知で未分類の一族に見えたものが、実際には既知の防御戦略の一変種であり、単一の遺伝的クラスター内に複数のRNAガイドを保持するように進化したものであることを示唆しています。この研究は、表面上は異なって見える遺伝配列が、共通の構造的論理を共有していることを、コンピュータ分析がいかに明らかにできるかを浮き彫りにしています。これほど多くのRNAコピーを持つことの正確な生物学的利点は不明ですが、証拠は、このシステムが既存の細菌防御のツールキットに深く根ざしており、驚くほど優雅な方法で再利用され、拡張されたものであることを指し示しています。次のステップは、科学界がこれらのコンピュータによる予測から実験的な証明へと移行し、これらの遺伝的な設計図が、それらが示唆する複雑な分子装置へとどのように翻訳されるのかを見届けることです。