サセックス大学（英国）のAidan Doherty教授率いる研究チームが、Nucleic Acids Research（NAR）誌の "Breakthrough Article"で驚くべき成果を発表しました。彼らの研究では、CRISPRに関連する逆転写酵素（RT）がDNA合成のプライミングをRNAとDNAの両方で直接行うことが明らかにされ、さらにこのRT依存性のプライミングがいくつかのCRISPR-Cas複合体によって利用され、新しいスペーサーが合成され、CRISPRアレイに統合されることが示されました。
この重要な研究では、グループIIのイントロンRTやテロメラーゼ、HIVレトロウイルスRTなど、他の主要なRTクラスの代表者にもプライマー合成活性が保存されていることが明らかになっています。このオープンアクセス論文のタイトルは「Reverse Transcriptases Prime DNA（逆転写酵素プライムDNA）」で、2023年6月6日に発表されました。
DNAプライマー合成は、生物やウイルスのゲノムを増殖させる上で欠かせないプロセスであり、複製酵素であるDNAプライマーゼによって行われます。DNAプライミングは、細胞内の他の重要な作業、例えば損傷耐性や修復などにも必要なのです。
半世紀以上前、ノーベル賞受賞者であるHoward Temin博士とDavid Baltimore博士は、真核生物のRNAウイルスであるレトロウイルスがRNA依存性DNAポリメラーゼである逆転写酵素（RT）をコードしていることを突き止めました。これにより、RNAがDNAに逆転写されるという画期的な発見がなされました。以来、RTは原核細胞や真核細胞においても、レトロトランスポジションやテロメアの維持など、重要な役割を果たしていることが明らかになってきました。
RTのDNA合成機構は、特にレトロウイルスRTやレトロトランスポゾンRTを中心に広く研究されてきましたが、まだ多くの未解決の疑問が残っています。例えば、エンドヌクレアーゼによって産生される3'末端や、tRNAが"代理 "プライマーとして機能するなど、多くの非典型的なRT特異的プライミング機構が報告されていますが、他の多くのRTのプライミング機構はまだ解明されていないのです。
逆転写酵素は、生物がRNA中心のゲノムからDNA中心のゲノムへ移行する過程で重要な進化段階を象徴しています。RTはRNAポリメラーゼの古代の主要な系統に属し、これにはウイルスのRdRPやPrim-Polsも含まれます。ほとんどのRdRPやPrim-Polsは、おそらく祖先から受け継いだと考えられる、RNAやDNAを鋳型にしてプライミングと伸長の両方を行う能力を持っていました。しかし、RTは例外であり、DNA合成を直接プライミングする生得的な能力を失っていると考えられていました。しかし、今回の研究では、CRISPR関連RT（CART）がRNAや場合によってはDNA上でプライミングを行う能力を保持していることが示されました。また、このようなRT依存的プライミング機構が、CRISPR-Casスペーサー獲得という特定の生物学的文脈でどのように利用されるかについても言及されています。
CRISPRに関連するRTがDNA合成を促進するという発見は非常に予想外であり、他のRTもDNA合成を直接促進する同等の能力を持っている可能性を示唆しています。この研究では、原核生物のグループIIレトロトランスポゾンから出発し、単独のRT（GsI-IICイントロンRT）と、エンドヌクレアーゼドメインを持つRT（LtrA）の両方が、RNAとDNAの両方の鋳型でプライミングを開始する能力を示すことが示されました。さらに、真核生物のLTRコードRTファミリー（Ty3）、テロメラーゼ、レトロウイルスRTなど、他の重要なRTファミリーのメンバーにも同様のプライマーゼ能力が存在することが立証されました。
これらの発見は、RTに依存する広範な生物学的プロセスにおいて、これらのレプリカーゼがどのように機能しているかを理解する上で非常に重要です。現在の考えでは、RTに依存した複製機構は、DNA合成を開始するためにさまざまな間接的なプライミング機構に依存しているとされています。しかし、この研究では、RTがin vitroで直接プライマー合成を触媒することを証明し、特定の生物学的文脈で特定のRT依存的プライミング活性がどのように利用されうるかの例を提供しています。次のステップは、細胞内でRTによる直接的なプライミングが他の間接的なメカニズムとどのように連携しているかを明らかにすることです。
この研究と関連する論文を査読したNARの査読者と編集者は、「この論文は、RTの機能に関する確立されたパラダイムを再評価する重要な貢献である」と述べています。「著者らが、CARTの新しいプライマー合成能力が主要なクラス間で保存されていることを発見した点が、この論文の核心の強みである」とも述べています。
Aidan Doherty教授の研究室では、原核生物と真核生物の両方において、ゲノム複製を停止させる病変や構造の修復と回避を仲介するさまざまな新しいタンパク質複合体について研究しています。彼らのグループは、細胞レベルと分子レベルでこれらのDNA修復・複製経路がゲノムの安定性を維持するためにどのように機能しているかを理解するために、学際的なアプローチを取っています。この研究は、Biotechnology and Biological Sciences Research Council、Research Councils UK（RCUK）、Diamond Light Sourceの支援を受けて行われました。
