半分がRNAで半分が一本鎖DNAであるレトロン（画像）と呼ばれる独特なハイブリッド構造は、多くの種類の細菌に見られる。 約35年前の発見以来、研究者は実験室でDNAの一本鎖を生成するためにレトロンを使用する方法を学んだが、細菌におけるレトロンの機能が何であるかを誰も知らなかった。2020年11月5日に Cell のオンラインで公開された論文で、ワイツマン科学研究所（イスラエル）のチームは、長年の謎を解く報告をしている。 この論文は「アンチファージ防御におけるバクテリアのレトロンの機能（Bacterial Retrons Function in Anti-Phage Defense.）」と題されている。 レトロンは、ウイルスに感染したときに細菌コロニーの生存を保証する免疫システムの番人だ。
細菌がウイルス感染から身を守るために使用する新しい戦略（植物の免疫システムで採用されているものと驚くほど似ている）を明らかにすることに加え、将来、ゲノム編集ツールキットに追加されるかもしれない多くの新しいレトロンを明らかにした。
ワイツマン科学研究所微生物ゲノミクス研究室 のRotem Sorek教授の下で実施されたこの研究は、Sorek ラボのAdi Millman博士、Aude Bernheim博士そしてAvigail Stokar-Avihail氏が主導した。
Sorek教授と彼のチームは、レトロンの謎を解き明かそうとはせず、細菌の免疫システムの新しい要素、特に細菌がウイルス感染をかわすのを助ける要素を探した。
彼らの探索は、バクテリアの免疫系遺伝子がいわゆる「ディフェンスアイランド」内のゲノムに集まっている傾向があるという最近の発見によって容易になった。 研究チームがディフェンスアイランド内のレトロンのユニークな特徴を発見したことで、さらに調査することが決まった。 彼らの最初の研究では、このレトロンがバクテリアの感染に特化したファージとして知られるウイルスから、バクテリアを保護することに間違いなく関与していることが示された。 既知の防御遺伝子の近くにある追加のレトロンをより詳しく調べたところ、レトロンは常に物理的および機能的に他の1つの遺伝子に接続されていることがわかった。 付随する遺伝子またはレトロンのいずれかが変異した場合、バクテリアはファージ感染との戦いにあまり勝つことができなかった。
その後、研究者らはディフェンスアイランドでそのような複合体をさらに探すことに着手した。 最終的に、彼らは、多数の細菌種の異なるディフェンスアイランドで、約5,000のレトロンを特定し、その多くは新しいものであった。
これらのレトロンが一般に免疫機構として機能するかどうかを確認するために、研究者らは、レトロンを欠いている細菌細胞に、多くのレトロンを1つずつ移植した。 彼らが疑ったように、これらの細胞の多くで、彼らはバクテリオファージ感染から細菌を保護するレトロンを発見した。
レトロンはこれをどのように行いるのか？ ある特定の種類のレトロンに焦点を当て、ファージ感染に直面したときのその作用を追跡し、その機能が感染した細胞を自殺させることであることを発見した。 かつては多細胞生物にのみ属すると考えられていた細胞自殺だが、ウイルスが自身のコピーを作成し他の細胞に広がる前に、自殺メカニズムが十分な速さで機能し、広範な感染を阻止する最後の手段として機能する。
さらなる調査により、レトロンはファージの侵入自体を感知するのではなく、細菌の最初の防御線の1つであるRecBCDとして知られる免疫系の別の部分を監視し続けることが示された。 ファージが細胞のRecBCDを改ざんしたことにレトロンが気付いた場合、レトロンは2番目の防御線であるリンクされた遺伝子を介してプログラムをアクティブにし、感染した細胞を殺して残りのコロニーを保護する。
「これは巧妙な戦略であり、植物細胞で採用されているガードメカニズムと同じように機能することがわかった」とSorek教授は述べた。 「植物に感染するウイルスと同じように、ファージには細胞免疫応答のさまざまな部分をブロックするさまざまな阻害剤が備わっている。植物に存在することが知られているガードメカニズムのように、レトロンは、1つの特定の免疫複合体の機能を処理するためだけで、考えられるすべての阻害剤を特定できる必要は無い。感染した植物細胞は、この不稔感染を適用して、植物自体を救うために葉や根の小さな領域を殺す。ほとんどのバクテリアはコロニーで生きているため、この同じ戦略は、個々のメンバーを犠牲にしても、グループの生存を促進することができる。」
レトロンは、DNA鎖の合成のテンプレートであるRNAの断片から始まるため、バイオテクノロジーに非常に役立つ。 レトロン配列のこのテンプレートは、任意のDNA配列と交換して使用でき、細菌免疫ツールキットから借用した別のツールであるCRISPRと組み合わせて、さまざまな方法で遺伝子を操作することもできる。 Sorek教授と彼のチームが特定したレトロンの多様なリストの中に、特定の遺伝子編集のニーズに適したテンプレートを提供できるいくつかのリストが隠れている可能性があると考えている。
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BioQuick News:35-Year Mystery of Retrons Solved—Unusual Molecules Combining RNA and DNA Strands Are Part of Bacterial Defense Mechanism Against Phage; Similarities Noted to “Guard” Mechanism Used by Plants
