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“我是四川成都人，2008 年汶川大地震讓我更加認識到生命的脆弱和生活的美好，也讓我產(chǎn)生了研究生命科學(xué)的想法，希望可以用己所學(xué)造福更多的生命。”美國杜克大學(xué)博士后、北京生命科學(xué)研究所博士畢業(yè)生楊斧表示。
15 年后，楊斧的這一夢想再進一步。2023 年，他以一作身份在 Nature 發(fā)表了一篇關(guān)于生命科學(xué)的論文。
論文中，楊斧回答了一個長期懸而未解的問題：即在被整合到基因組之前，轉(zhuǎn)座子是如何形成互補鏈 DNA 的。此外，他還描述了替代末端連接修復(fù)機制的一種新作用。
（來源：楊斧）
評審專家表示這項研究的證據(jù)令人信服，是對理解逆轉(zhuǎn)座子復(fù)制和跳躍機制的重大進步。尤其值得一提的是，本次發(fā)現(xiàn)在多種生物體中都已得到驗證。
在正常細胞和組織里，逆轉(zhuǎn)座子通常可以被很好地抑制。但是，其活性在腫瘤發(fā)生、神經(jīng)退行性疾病和衰老過程中，會出現(xiàn)顯著的上升。
而本次研究明確了環(huán)狀 DNA 在逆轉(zhuǎn)座子復(fù)制中的核心作用，對于理解其在以上生命過程中的意義至關(guān)重要，并提供了能起到潛在干預(yù)作用的新策略。
另外，很多逆轉(zhuǎn)錄病毒比如導(dǎo)致艾滋病的人體免疫缺陷病毒（HIV，human immunodeficiency virus），在其傳染周期中也會形成環(huán)狀 DNA。如果 HIV 病毒具有類似逆轉(zhuǎn)座子的復(fù)制模式，那么抑制環(huán)狀 DNA 的形成或能成為治療 HIV 感染者的新策略。
原因在于，此次研究發(fā)現(xiàn)在逆轉(zhuǎn)座子跳躍的過程中，絕大多數(shù)新合成的 DNA 形成了環(huán)狀 DNA。
進一步研究之后，楊斧等人發(fā)現(xiàn)逆轉(zhuǎn)座子利用了宿主的一種叫做“末端連接修復(fù)”的 DNA 損傷修復(fù)機制，以此來形成環(huán)狀 DNA 從而促進其轉(zhuǎn)座。
其表示：“這個發(fā)現(xiàn)顛覆了教科書中的傳統(tǒng)觀點，此前人們認為逆轉(zhuǎn)座子復(fù)制過程中產(chǎn)生的環(huán)狀 DNA 是復(fù)制失敗的副產(chǎn)物。相反，我們的研究強調(diào)了環(huán)狀 DNA 的形成在逆轉(zhuǎn)座子復(fù)制和轉(zhuǎn)座中的重要性?！?/section>
鑒于轉(zhuǎn)座子的活性在癌癥、神經(jīng)退行性疾病、和衰老過程中會呈現(xiàn)顯著上升，因此本次成果暗示著環(huán)狀 DNA 在這些轉(zhuǎn)座子相關(guān)研究中具備潛在的核心作用。
▲圖 | 相關(guān)論文（來源：Nature）
19 世紀，英國科學(xué)家查爾斯·達爾文（Charles Darwin）搭乘小獵犬號（HMS Bealge）開始了五年的環(huán)球航行。
根據(jù)旅途中的所見所聞，達爾文完成了《物種起源》一書，提出了物競天擇的觀點，并認為所有物種都是從少數(shù)共同祖先演化而來，這也是近代科學(xué)史上最重要的成果之一。
后來，為了紀念達爾文的偉大成就，科學(xué)家用小獵犬號命名了果蠅的逆轉(zhuǎn)座子 HMS-Bealge。這也是楊斧此次研究中的主角。
“從這個故事里我學(xué)到了兩點：科學(xué)研究要善于利用新的技術(shù)，要有勇氣挑戰(zhàn)人們的傳統(tǒng)觀點?！睏罡硎?。
2000 年，當(dāng)人類基因組測序草圖發(fā)布的時候，人們驚奇地發(fā)現(xiàn)只有不到 2% 的基因組序列編碼，可以構(gòu)成人體的蛋白質(zhì)。相反，有將近一半的基因組序列來源于轉(zhuǎn)座子。
轉(zhuǎn)座子，又稱為跳躍基因，是一種可以在基因組中移動的元件，于 1951 年被美國遺傳學(xué)家芭芭拉·麥克林托克（Barbara McClintock）發(fā)現(xiàn)。
雖然在最初 30 年，轉(zhuǎn)座子并不被人們所認可。但是從 1980 年代開始，對轉(zhuǎn)座子的研究獲得了學(xué)界的廣泛認可。芭芭拉·麥克林托克也因這項成果獨享了 1983 年的諾貝爾生理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎。
在人類基因組中，很大一部分轉(zhuǎn)座子是逆轉(zhuǎn)座子。在基因組中，逆轉(zhuǎn)座子以一種“復(fù)制粘貼”的方式來繁殖以及增加其拷貝數(shù)量。
具體來說，逆轉(zhuǎn)座子先是從基因組中已有的拷貝處生成 RNA，然后以 RNA 為模版合成 DNA 并插入到基因組中的新位點。
這些插入可能會導(dǎo)致遺傳變異、基因組損傷、動物繁殖障礙等一系列疾病，比如腫瘤、神經(jīng)退行性疾病、甚至驅(qū)動衰老的發(fā)生等。
另一方面，人們也馴化了一些轉(zhuǎn)座子編碼的蛋白為己所用。比如：免疫系統(tǒng)利用轉(zhuǎn)座子編碼的 RAG 基因促進抗體重排從而來提升免疫力，哺乳動物利用逆轉(zhuǎn)座子的 Syncytin 蛋白形成母嬰屏障從而為胎兒提供保護。
轉(zhuǎn)座子和其宿主這種有趣的“寄生”和“共生”關(guān)系，塑造了很多基本的生命過程。因此，深入探索逆轉(zhuǎn)座子在生物體中的跳躍機制，對于人類健康具有重要意義。
歷經(jīng)四十多年的研究，學(xué)界已經(jīng)獲得不少關(guān)于逆轉(zhuǎn)座子的知識。然而，具體如何實現(xiàn)“復(fù)制粘貼”？人們依舊不是很清楚。
楊斧的博后導(dǎo)師張釗教授，研究逆轉(zhuǎn)座子已有十五年有余，并已建立一套能在機體水平上檢測逆轉(zhuǎn)座子活性的平臺。
在本次課題組中，他們用一個標(biāo)簽來標(biāo)記果蠅的逆轉(zhuǎn)座子 HMS-Beagle。然后，通過基因組測序來確認逆轉(zhuǎn)座子跳躍插入的新位點。
但是，目前傳統(tǒng)的短讀長測序技術(shù)通常只能讀取小于 300 遺傳信息堿基對。由于逆轉(zhuǎn)座子含有重復(fù)序列，并且在基因組中存在眾多拷貝，采用短讀長測序技術(shù)很難精確確認其在基因組中的位置。
為此，他們采用最新的長讀長測序技術(shù)，來追蹤逆轉(zhuǎn)座子跳躍過程的終產(chǎn)物。長讀長測序技術(shù)的好處在于，可以直接閱讀 DNA 序列，并且讀長往往可以達到百萬堿基對，遠遠超過常用的短讀長測序技術(shù)。
后來，該團隊發(fā)現(xiàn)僅僅只有 10% 的新合成逆轉(zhuǎn)座子插入了基因組的新位點。相反，有 90% 形成了環(huán)狀 DNA。
為驗證上述發(fā)現(xiàn)，課題組開發(fā)一項新型環(huán)狀 DNA 測序技術(shù)，進一步確認這不僅僅是被標(biāo)記的逆轉(zhuǎn)座子，原因在于其他果蠅體內(nèi)天然存在的逆轉(zhuǎn)座子，在跳躍的過程中也形成了大量環(huán)狀 DNA。
楊斧說：“我們?yōu)檫@項新發(fā)現(xiàn)感到興奮，但當(dāng)我們和病毒學(xué)家討論這個問題時，他們卻不這么認為，他們認為逆轉(zhuǎn)座子和逆轉(zhuǎn)錄病毒很類似?！?/section>
HIV 病毒，是目前最著名的逆轉(zhuǎn)錄病毒。早在 1990 年代，人們就知道在感染宿主過程中會形成環(huán)狀 DNA。
出版于 1997 年的《逆轉(zhuǎn)錄病毒》教科書中也記錄了這一點。并且，書中認為環(huán)狀 DNA 是通過病毒兩端的長末端重復(fù)序列的相互重組而形成，而這種環(huán)狀 DNA 僅僅是復(fù)制失敗的副產(chǎn)物。
為了檢驗書中的觀點，楊斧等人逐一降低了同源重組通路中關(guān)鍵的 7 個基因。即便如此，依然可以形成環(huán)狀 DNA。
為進一步探究逆轉(zhuǎn)座子在復(fù)制過程中，到底是如何形成環(huán)狀 DNA 的。該團隊建立了果蠅的遺傳篩選系統(tǒng)，后來發(fā)現(xiàn)逆轉(zhuǎn)座子并非利用經(jīng)典的同源重組修復(fù)或非同源性末端連接，而是利用一種名為“替代末端連接”的修復(fù)通路來形成環(huán)狀 DNA。
替代末端連接通路中的因子，在逆轉(zhuǎn)座子的復(fù)制過程中能夠發(fā)揮作用，從而能夠介導(dǎo)復(fù)制過程中的一個環(huán)化步驟，進而推動合成逆轉(zhuǎn)座子的互補鏈 DNA。
阻斷逆轉(zhuǎn)座子的環(huán)化過程，會導(dǎo)致單鏈 DNA 的積累，并阻止逆轉(zhuǎn)座子插入基因組的新位點。
這也說明，本次發(fā)現(xiàn)挑戰(zhàn)了過去將環(huán)狀 DNA 僅僅視為復(fù)制失敗副產(chǎn)物的觀點。相反，楊斧等人的研究強調(diào)了環(huán)狀 DNA 的形成，在逆轉(zhuǎn)座子復(fù)制和轉(zhuǎn)座中的重要性。
綜合來看，本次成果始于幾個意外的發(fā)現(xiàn)。例如，當(dāng)課題組追蹤逆轉(zhuǎn)座子復(fù)制終產(chǎn)物時，DNA 測序結(jié)果顯示逆轉(zhuǎn)座子更傾向于形成環(huán)狀 DNA，而不是直接整合到基因組中。
而且，不同于常理的是，這些環(huán)狀 DNA 的形成對于逆轉(zhuǎn)座子實現(xiàn)整合至關(guān)重要。這些發(fā)現(xiàn)促使他們更加深入地研究逆轉(zhuǎn)座子復(fù)制的機制。
楊斧說：“我們的優(yōu)勢在于使用了最先進的技術(shù)和平臺。通過使用納米孔測序，我們克服了傳統(tǒng)短讀長測序的局限性，從而能對環(huán)狀 DNA 進行準(zhǔn)確的量化?！?/section>
同時，本次工作也證明了實驗和計算方法結(jié)合的潛力。從計算和分析實驗結(jié)果、再從分析結(jié)果提出新假設(shè)、并進一步通過實驗來驗證。
這種實驗和計算分析相結(jié)合的方法，為深入研究基因組進化和疾病的復(fù)雜機制鋪平了道路。
不過，本次研究主要依賴于遺傳學(xué)手段。后續(xù)，該團隊會采取更多的生物化學(xué)方法，細化每一個參與因子的具體作用。
前面提到，楊斧是四川省成都市人。談及自己名字中的“斧”他表示：“'斧’字有兩重含義。第一，我是剖腹產(chǎn)的，'斧’銘記母親賦予我生命的不易；第二，'斧’出自《文心雕龍·原道》'斧藻群言’，父母希望我能繼承和發(fā)展先賢成就?！?/section>
而他的確沒有辜負父母的期望。其本科就讀于四川大學(xué)創(chuàng)新班，本科畢業(yè)后來到北京生命科學(xué)研究所讀博。
北京生命科學(xué)研究所成立于 2003 年，是一個探索生命科學(xué)研究新機制的試驗田。楊斧表示：“我在襲榮文教授的指導(dǎo)下開始研究成體干細胞和它們的微環(huán)境之間的相互作用。隨著研究的深入和襲榮文老師的鼓勵，我找到了自己的研究興趣點——轉(zhuǎn)座子?！?/section>
獲得博士學(xué)位后，楊斧來到美國卡耐基研究所進行博士后訓(xùn)練?？突芯克寝D(zhuǎn)座子研究的高地。該校有兩位著名科學(xué)家在轉(zhuǎn)座子領(lǐng)域作出了巨大貢獻。
其中一位便是前文提到的芭芭拉·麥克林托克教授，她曾首次發(fā)現(xiàn)玉米基因組中存在轉(zhuǎn)座子。二十世紀八九十年代，艾倫·C·斯普拉德林（Allan C. Spradling）利用 P 轉(zhuǎn)座子在果蠅中建立了一系列的遺傳工具，極大地豐富了科研手段。
楊斧的博后導(dǎo)師張釗教授，則結(jié)合果蠅遺傳工具和現(xiàn)代測序技術(shù)，來研究宿主和轉(zhuǎn)座子的相互調(diào)節(jié)和影響，此前已經(jīng)發(fā)表多篇重要論文。
2019 年，楊斧跟隨張釗來到杜克大學(xué)繼續(xù)做博士后研究。不久之后，楊斧即將尋找教職。他說：“我主要想在國內(nèi)一流的高校和研究所建立獨立的實驗室，并和志同道合的同學(xué)和老師更深入地繼續(xù)研究轉(zhuǎn)座子和環(huán)狀 DNA。
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