Nature挑战生物学的核心教条：第一次发现“翻转”可以发生在基因内部

斯坦福大学医学院的科学家和同事发现，细菌基因可以编码自身的多个版本，改变了对遗传学的核心理解。

　　

想象一下，翻一个筋斗就能改变你的外貌。一个翻转，你的黑发就会变成白金色。这与某些原核生物或单细胞生物（如细菌）中发生的inversions（基因倒位，翻转）现象相差无几。

由斯坦福大学医学院的科学家领导的一项研究表明，翻转会导致DNA片段发生物物理倒转，改变生物体的遗传特性，它可以发生在单个基因中，这挑战了生物学的核心教条——一个基因只能编码一种蛋白质。

血液学博士后学者Rachael Chanin博士说:“细菌比我原来想象的还要酷，我是一名微生物学家，原本我已经认为它们很酷了。”微生物学家几十年前就知道细菌可以翻转DNA的一小部分来激活或灭活基因。然而，据该团队所知，这些翻转的片段从未在单个基因的范围内被发现。

就像把 “狗 ”这个字的字母顺序颠倒过来会完全改变一个句子的意思（“我是狗 ”对 “我是神”）一样，基因内反转实质上是用相同的材料重新编码细菌的基因。这可能会导致基因激活、基因活动停止，或者在倒置时编码产生不同蛋白质的序列。

“我记得当我看到这些数据时，我想，‘不可能，这不可能是对的，因为这太疯狂了，不可能是真的，’在接下来的几年里，我们试图说服自己，我们犯了一个错误。但据我们所知，并没有。”遗传学和医学教授Ami Bhatt博士说。

9月25日发表在《自然》杂志上的一项研究详细介绍了科学家们的发现。Chanin和Patrick West博士共同领导了这项研究。Bhatt是资深作者。

翻转

在20世纪20年代，科学家们在寻找沙门氏菌的治疗方法时，第一次发现了翻转倒置的迹象。他们试图从感染这种细菌的动物身上收集抗体，希望这些免疫分子可以转移到其他动物身上，从而避免感染。但这并没有起作用——即使是他们知道基因相同的细菌菌株也能进行反击。科学家们现在知道，这种逃避是由于细菌的反向编码，使其能够逃脱动物的免疫。

微生物学家已经发现翻转发生在各种原核生物的小DNA片段。但是Bhatt和她的团队想知道它们是否也会发生在单个基因中。West创建了一种名为PhaVa的算法，用于识别细菌基因组中可能存在的反转。

该软件基本上从各种原核生物下载了数千个基因组序列片段，并扫描那些看起来“可翻转”的区域——具有反向重复的片段，具有冗余的回文质量(例如，ATTCC和CCTTA)——在潜在反转的另一边。该算法创建了一个目录，列出这些序列翻转后的样子，并将合成的基因组与真实的序列进行比较。然后，它计算出生物体基因组中存在翻转和未翻转序列的区域，每一次匹配都表明可能出现反转。

该软件识别出存在于细菌和其他原核生物物种中的数千种逆转录，首次揭示了逆转录发生在基因内部。Bhatt说，这引发了一种想法，即不仅单基因反转会发生，而且它们可能相对普遍。

“这对我们来说真的很惊讶，据我们所知，这种情况以前从未出现过。”

还有一个大问题:是什么导致了翻转?

研究小组怀疑，有特定的酶介导了这种翻转，也有特定的环境因素推动了这种变化。

“这是现在要做的事，我们下一步的工作之一是尝试解码分子语法，这样我们就可以建立一个酶的数据库和一个它们翻转的反向重复序列的数据库。”

解释翻转

虽然关于翻转还有很多需要了解的地方，但Bhatt看到了许多应用的潜力。这实际上是一种可遗传的、可逆的基因调控，”她说。

她认为，科学家可能最终能够利用倒置来创造一个可切换的细菌系统来控制它们的基因表达，这可能是合成生物学研究的必然结果。或者在某些疾病和细菌逆转录状态之间存在联系，在这种情况下，可能有一种方法可以改变细菌的状态并调节疾病。

Chanin说:“这种类型的适应一直隐藏在我们面前，等待合适的工具、合适的技术和生物学问题被提出。这让我想知道，还有多少细菌的秘密在等着我们去发现?”