引言

二十世纪五十年代，Barbara McClintock在玉米中发现一类能在基因组中移动、改变自身位置的DNA序列。当时，人们普遍认为基因在染色体上只能是固定不变的。这一惊世骇俗的发现打破了人们的认知，然而却并未获得认可。直到三十多年后，她和这些可以在基因组中移动的DNA序列终于等到了1983年诺贝尔生理学或医学奖——迟来的肯定。这些序列就是——转座子。人类基因组中有接近一半的序列由转座子构成，其中，LINE-1（Long interspersed nuclear element-1）占据了人类~17%的基因组序列，它也是目前人体内唯一活跃且具有自主逆转录转座能力的逆转录转座子。尽管在体细胞中LINE-1表达通常受到抑制，但在人和小鼠早期胚胎发育的合子基因组激活（zygotic genome activation，ZGA）过程中LINE-1却高表达。这不仅说明LINE-1的表达受到极其严格和精确的调控，而且暗示LINE-1的表达在关键生理过程具有重要作用。然而，关于LINE-1表达是如何被调控的，LINE-1在基因调控中的功能以及ZGA中的作用还知之甚少。2024年6月7日17时，清华大学生命学院刘念团队在 Nature Genetics 期刊发表了题为：LINE-1 transcription activates long-range gene expression 的研究论文。该研究提供了第一个关于LINE-1表达调控的全基因组筛选结果，系统性的鉴定并验证了LINE-1作为增强子的功能和作用，揭示了LINE-1在长程基因激活中的广泛影响，并阐释了LINE-1转录如何帮助植入前胚胎中ZGA过程的成功进行，深化了我们对LINE-1表达在哺乳动物发育和疾病中的调节和功能作用的理解。刘念课题组长期从事逆转录转座子调控和功能研究。在之前的工作中，系统鉴定了LINE-1转座过程的调控因子（Liu et al. Nature 2018），并发现LINE-1可以作为拓扑结构域边界（Hong et al. Molecualr Cell 2024）。这项研究利用LINE-1 5'UTR驱动的报告基因在人类细胞中进行全基因组CRISPR-Cas9筛选，鉴定了171个LINE-1表达抑制因子和332个激活因子。这些调控因子参与功能多样的调控通路。有意思的是，很多的LINE-1表达调控因子与增强子调控和功能相关（KMT2D、CTBP1、METTL3、METTL14等），这提示LINE-1可能具有增强子活性。通过系统挖掘全基因组自转录活性调控区测序（STARR-seq）数据，研究团队发现LINE-1 5'UTR具有增强子特征，可以通过不依赖其位置或方向的方式激活基因表达。刘念团队进一步揭示了LINE-1在哺乳动物早期胚胎发育中的生物学功能。他们发现，LINE-1在小鼠早期2细胞阶段就开始表达，并且与minor ZGA基因（如Obox4、Zscan4等）接触并激活。抑制LINE-1转录或敲除LINE-1 RNA都能显著降低ZGA基因的表达，并阻碍小鼠胚胎发育在2-4细胞阶段。有趣的是，与恒河猴相比，人类基因组中特异存在的、进化上较年轻的LINE-1 PA1-5元件显著增强了人早期胚胎中ZGA基因的表达，说明LINE-1在基因组上的持续插入已经改变了灵长类动物ZGA基因表达的调控网络。由于LINE-1的活跃转座使其仍在人基因组中扩增，因此LINE-1可能在人类基因组中持续增添新的顺式DNA调控元件，进而影响着人类的多种疾病和发育过程。L1的转录水平被功能多样的基因所精密调控，也决定着L1选择性地接触并激活远程基因表达的功能，影响着早期胚胎发育中的ZGA，也可能影响衰老、癌症和神经系统性疾病等（左）。L1转录激活了小鼠早期胚胎发育中的第一波转录行为（minor ZGA）（右）。（Credit: Nature Genetics）总而言之，该研究提供了功能多样的LINE-1表达调控因子，发现并验证了LINE-1 5' UTR作为增强子在早期胚胎发育阶段通过转录依赖的方式直接与ZGA基因相互作用激活基因表达。该工作为研究LINE-1的调控网络提供了丰富的资源，揭示了LINE-1表达调控的复杂性和多样性；解释了为什么LINE-1在胚胎发育过程中被激活，为理解LINE-1在基因组中的功能提供了新的视角。

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https://www.nature.com/articles/s41588-024-01789-5

责编|探索君

排版|探索君

文章来源|“生物世界”

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