Science：新研究揭示轉座子編碼的內含子與向導RNA之間的拮抗沖突

　　TnpB核酸酶是CRISPR-Cas12的進化前身，廣泛存在于生命的各個領域，這可能是由于它們在轉座子擴增中的關鍵作用。近期的研究已證實IS605 家族的 TnpB 同源物通過利用轉座子編碼的向導RNA——ωRNA，來切割基因組 DNA，因而通過 DNA 雙鏈斷裂刺激的同源重組來驅動轉座子的維持，從而發揮可編程歸巢內切酶的功能。這種途徑在其他遺傳環境中是否也是保守的，是否與其他轉座酶有關聯，目前還不得而知。

　　在一項新的研究中，來自哥倫比亞大學的研究人員重點研究了 IS607 家族轉座子，這些轉座子的轉座生活方式鮮為人知，而且經常與 TnpB 和 ωRNA 一起編碼自我剪接的 I 組內含子（group I introns）。相關研究結果發表在2024年7月12日的Science期刊上，論文標題為“Antagonistic conflict between transposon-encoded introns and guide RNAs”。

　　IStron，即編碼 I 組內含子的復合轉座元件，具有必須被絲氨酸家族 TnpAS 轉座酶忠實識別的邊界序列，它們還編碼催化性內含子 RNA 和與 TnpB 相關的 ωRNA。通過在 RNA 水平上重新連接中斷的基因片段，剪接有可能使得這種轉座子 DNA 插入在表型上沉默。然而，這種反應會切斷 3′剪接位點的支架序列和引導序列，從而與正常的 ωRNA 成熟相沖突。這些作者推測 IStron 序列趨同是為了滿足這些相互排斥的分子要求，從而平衡轉座子保留和傳播的需要，同時限制其適應性成本。

　　在利用系統性生物信息學方法分析了多種細菌 IStron之后，這些作者從肉毒梭菌（Clostridium botulinum）中選擇了一個候選元件（即CboIStron），并在異源大腸桿菌宿主中重建了 DNA 轉座、RNA 剪接和 RNA 引導的 DNA切割。他們的數據顯示這種TnpAS轉座酶和I組內含子分別在DNA和RNA水平介導了相同核苷酸序列的無痕重接，突出了對左端和右端序列的趨同識別。轉座通過一種環狀中間體發生，并且靶向GG 二核苷酸目標位點以便實現DNA 整合，這與 TnpB 在 RNA 引導的 DNA 切割過程中識別的轉座子鄰接基序相匹配。

　　當監測轉座子拷貝數在 TnpA 和 TnpB 存在下的變化時，這些作者發現 IS607 編碼的 TnpB 核酸酶與 IS605 元件中的對應物一樣，靶向無痕供體連接點進行DNA切割，并通過 recA 依賴性同源重組驅動轉座子保留。有針對性的遺傳擾動確定了對ωRNA和I組內含子功能都至關重要的區域，這進一步證明了剪接和TnpB活性是相互沖突的。特別是，ωRNA 的結構特征本身會抑制剪接，而在 TnpB 存在的情況下，這種效應會增強。來自塞內加爾梭菌（Clostridium senegalense）的兩種天然IStron（CseIStron-1 和 CseIStron-2）就體現了這些拮抗特征，它們在剪接或向導RNA 成熟方面交替具有高度活性，但不能同時具有這兩種活性。

　　綜述所述，這項新的研究揭示了 IStron在同一轉座子編碼的轉錄本中進化出一種敏感的平衡機制，以平衡相互競爭和相互排斥的活動。I 組內含子所具有的自我剪接活性有可能通過恢復被中斷基因的功能來減輕轉座子最有害的特征之一——插入突變事件所帶來的嚴重的適應代價。然而，這一特性的代價是截斷一種潛在的向導RNA 分子并使其失活，從而剝奪了 TnpB 的保留機制，使轉座子面臨更大的滅絕風險。這些關于 IStron的發現凸顯了在自私的轉座子傳播過程中出現的多種酶活性，以及轉座子編碼的非編碼 RNA 的多功能潛力。