BioArt按：近日，一项关于在深海火山噬菌体病毒中发现一种不依赖于引物的DNA聚合酶的研究在微信朋友圈中引来了不少转发和讨论，这项研究打破了人们对于DNA聚合酶的常规认识，鉴定到了自然界已知的第一个不需要引物的DNA聚合酶。该研究于3月6日以长文的形式（PNAS Plus）在线发表在PNAS杂志上，文章第一作者和共同通讯作者为华中科技大学生科院“青年千人”学者朱斌教授。那么这项研究是偶然发现还是有一定的规律可循？具体创新意义几何？等等这些问题可能是大家比较关心的。笔者查阅了有关文献资料，就这项研究做了一些背景介绍，权当抛砖引玉了。不当和疏漏之处敬请读者们批评指正。
撰文丨丁广进
DNA聚合酶相关背景介绍：
微生物真是个宝藏，就DNA聚合酶来说，重大突破莫过于上世纪60年代美国微生物学家Thomas Dale Brock （当时在印第安纳大学做教授）及其同事在美国黄石国家公园的Great Fountain中率先分离到了嗜热细菌Thermus aquaticus，然后来自中国台湾籍的钱嘉韵(Alice Chien)在导师John Trela的指导下率先在Thermus aquaticus中分离得到了耐高温的DNA聚合酶，这项工作发表在1976年的Journal of Bacteriology杂志上（下图）。
尽管Taq没1976年就纯化得到了，但是真正大范围用于PCR还要等到1986年。值得一提的是1993年诺贝尔化学奖得主Kary Mullis最先提出了将Taq酶运用于PCR技术，然而他当时也没有很好的技术条件分离纯化到这种酶，所以一直拖延，但是Cetus Corporation公司拥有全套蛋白分离纯化的设备和条件，于是抢在Mullis之前率先将Tag酶应用于PCR技术中了，相关工作1988年发表在Science杂志上，尽管Mullis也在这篇文章中有署名（下图）。
其实在1987年Mullis就已经在Methods in Enzymology杂志（该杂志主编是DNA测序领域的先驱吴瑞先生，Mulis的文章应该是被Science拒之门外才找到吴瑞先生发表到这个杂志上的）上发表了体外DNA扩增技术，也就是PCR技术（下图）。
上面讲了一些背景，可能废话有点多，下面开始进入正题。
先讲讲这篇PNAS第一作者朱斌教授的一些相关背景。朱斌老师自2007年起成为哈佛大学Charles C. Richardson教授（是因发现了DNA聚合酶获得1959年诺贝尔奖的Arthur Kornberg教授的博后）实验室的博后，2016年才回到华中科大生科院做教授并入选当年的“青年千人”计划。朱老师9年的博后生涯主要的研究都是围绕T7引发酶（T7 primase）开展的，并发表了许多相关的文章。
Charles C. Richardson教授
学过基础分子生物学的同行应该知道，细胞内DNA复制的过程中分为三个阶段：复制的引发、DNA链的延伸和DNA复制的终止。DNA在复制之前会形成一个引发前体（preprimosome）在单链DNA结合蛋白的作用下与单链DNA结合，引发前体能与引发酶进一步组装成为引发体（primosome），引发体会在其它蛋白的作用下识别DNA复制其实位点，然后引发酶可以在先导链（leading strand）上催化合成一小段RNA作为引物。
而古细菌中的引发酶与上文描述的功能又不同，2001年日本的一个小组报道了古细菌中一种引发酶Pfup41并不能催化形成RNA引物而是倾向于利用脱氧核糖核苷酸合成DNA（上图），也就是说事实上在古细菌里这种引发酶实际上就有一些类似于不需要引物就能引发起始性DNA合成的功能。早期的研究更多的认为这类古菌中的引发酶主要功能限于DNA合成的起始阶段和DNA修复过程中，但是后来有研究表明某些古菌的引发酶能催化长片段的新生DNA合成甚至是高效地复制整个质粒（下图）。
回到朱斌教授的这篇PNAS文章本身，我们可以在论文的前言部分了解到该研究的出发点是着眼于噬菌体DNA聚合酶的简单性，可以很好的用来做一些DNA复制相关的机理研究。考虑在海洋微生物的丰富性以及微生物宏基因组测序的普及，可以充分利用这些资源去寻找更多的DNA聚合酶。2013年，Yukari Yoshida-Takashima（PNAS论文的作者之一）报道了一种深海火山噬菌体NrS-1（下图）。
于是，这篇PNAS正是从这个NrS-1入手，报道了一种不依赖于引物的NrS-1 DNA聚合酶。该聚合酶与任何已知DNA聚合酶都没有同源性，却能识别特定的模版序列，在没有引物的情况下专一性的用脱氧核糖核苷三磷酸从头合成DNA。
常规聚合酶的结构示意图。图片来源于网络
NrS-1 聚合酶与一般的DNA聚合酶相比，缺少finger和thumb结构域（上图），还有一个显著地缺点是保真性低，缺少核酸外切酶活性，但是二者都需要镁离子的参与（下图），此外，NrS-1 聚合酶还具有识别5′-NTTGPuPyPyA-3′序列的能力。
总的来说，这项研究是一个非常有意思的发现，突破了人们对DNA聚合酶的固有认识，特别是在研究聚合酶进化中具有重要意义，未来通过对酶的改造和设计后不排除有非常广阔的潜在的实际应用价值。
最后再说一句，海洋微生物确实是个宝库，或许生命科学领域未来的许多重大突破都孕育其中，CRISPR/CAS9就是一个经典案例。
PNAS文章第一作者朱斌教授（左）和研究生陆雪玲（右）
BioArt，一心关注生命科学，只为分享更多有种、有趣、有料的信息。关注请长按上方二维码。投稿、合作、转载授权事宜请联系微信ID：fullbellies或邮箱：sinobioart@sina.com。