人類基因組測(cè)序數(shù)據(jù)揭示，超過50% 的DNA序列由轉(zhuǎn)座元件（Transposable elements， TEs，又稱轉(zhuǎn)座子）所組成，其中反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子（以下簡(jiǎn)稱為反轉(zhuǎn)座子）占絕對(duì)比例。顧名思義，反轉(zhuǎn)座子通過轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生中間體RNA，進(jìn)而被反轉(zhuǎn)錄形成新的DNA拷貝，整合進(jìn)宿主基因組中（即 "復(fù)制-粘貼 "機(jī)制）。人類基因組主要包含長(zhǎng)末端重復(fù)序列（long terminal repeat，LTR）、非長(zhǎng)末端重復(fù)序列（non-long terminal repeat，non-LTR）和SINE-VNTR-Alu（SVA）序列等三種類型的反轉(zhuǎn)座子。其中，LTR反轉(zhuǎn)座子或內(nèi)源性逆轉(zhuǎn)錄病毒（endogenous retrovirus，ERV）起源于外源逆轉(zhuǎn)錄病毒的侵染。在數(shù)千萬年的進(jìn)化過程中，ERV逐漸被固定下來，成為宿主基因組的一部分（大約占人類基因組的8%）。另一方面，non-LTR序列，包括LINE和SINE，大約占人類基因組的30%。LINE-1 (L1) 是一類自主性反轉(zhuǎn)座子，能夠表達(dá)一整套負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)座的蛋白機(jī)器。相比之下，作為類人猿所特有的一種非自主性反轉(zhuǎn)座子，SVA 可以利用 L1 元件產(chǎn)生的蛋白機(jī)器來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)座。絕大多數(shù)反轉(zhuǎn)座子由于序列突變或受表觀調(diào)控而處于轉(zhuǎn)錄沉默狀態(tài)，因此長(zhǎng)期以來被稱認(rèn)為是“無用DNA”或“化石DNA”。近年來，得益于多組學(xué)測(cè)序及基因組編輯技術(shù)的發(fā)展，越來越多的證據(jù)表明，這些所謂的“無用DNA”可能對(duì)人類發(fā)育和健康至關(guān)重要。

逆轉(zhuǎn)座子調(diào)控人類早期胚胎發(fā)育

在進(jìn)化過程中，ERV 不同程度地保留了其祖先外源病毒的原始特征。其中，某些對(duì)宿主發(fā)育及健康有利的ERV元件被馴化或共選擇下來，成為宿主基因組的必要部分。例如，由 HERV 包被膜基因（如 HERVW-1、HERV-FRD1）所編碼的合胞素（如Syncytin-1，-2）在人類胎盤合胞體滋養(yǎng)層形成過程中起著重要作用。此外，作為進(jìn)化上最為年輕的ERV， HERVK（HML-2）可通過表達(dá)附屬蛋白 Rec來促進(jìn)人類植入前胚胎的抗病毒免疫反應(yīng)。此外，LTR為人類早期胚胎發(fā)育過程中的基因表達(dá)提供了豐富的順式調(diào)控元件，如增強(qiáng)子、啟動(dòng)子及poly A位點(diǎn)等。多種靈長(zhǎng)類/類人猿特異性反轉(zhuǎn)座子在人類胚胎植入前發(fā)育過程中被階段特異性地重新激活，表明這些反轉(zhuǎn)座子參與構(gòu)建人類早期胚胎發(fā)育的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。此外，LTR5_Hs 元件（即 HERVK 的末端調(diào)控序列）還被發(fā)現(xiàn)可作為增強(qiáng)子促進(jìn)人類原始生殖細(xì)胞的特化，表明其在人類生殖細(xì)胞發(fā)育中的發(fā)揮重要作用。

特別是，利用微量細(xì)胞ChIP-seq或cut&run技術(shù)，研究人員揭示了H3K9me3修飾調(diào)控人類著床前胚胎發(fā)育的重要功能。研究表明，特定的KRAB-ZNFs蛋白可通過發(fā)育階段特異性的H3K9me3修飾來調(diào)節(jié)不同LTR家族的轉(zhuǎn)錄。其中，在人類胚胎二細(xì)胞（2C）發(fā)育到八細(xì)胞（8C）期間，H3K9me3在類人猿特異性SVA_D反轉(zhuǎn)座子上的沉積減少，有利于這些反轉(zhuǎn)座子與合子基因組激活（ZGA）相關(guān)基因相互作用。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，SVA_D逆轉(zhuǎn)座子可充當(dāng)增強(qiáng)子為8C關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子（如DUXA和ZSCAN4）提供結(jié)合位點(diǎn)來促進(jìn)人類的ZGA。的確，SVA_D元件的表達(dá)沉默可阻礙ZGA和囊胚形成，揭示了SVA_D在人類著床前胚胎發(fā)育中的重要功能。此外，在胎盤滋養(yǎng)層中，H3K9me3的從頭沉積可阻止多能性轉(zhuǎn)錄因子與某些類人猿特異性反轉(zhuǎn)座子結(jié)合，抑制ICM譜系相關(guān)基因表達(dá)，表明H3K9me3重編程對(duì)人類胚胎早期譜系特化具有潛在促進(jìn)作用。反轉(zhuǎn)座子是否參與調(diào)控人類著床后胚胎中的譜系特化和胚層分化，有待于以后進(jìn)一步研究。

逆轉(zhuǎn)座子參與人類疾病發(fā)生

在正常生理?xiàng)l件下，轉(zhuǎn)座子的轉(zhuǎn)錄活性受到人類基因組監(jiān)控系統(tǒng)的嚴(yán)格控制，而在病理或衰老條件下則有可能發(fā)生失調(diào)。例如，人類特異性HERVK（HML-2）被報(bào)道廣泛參腫瘤發(fā)生、衰老以及抗病毒先天免疫反應(yīng)等多個(gè)生理過程。其中，HERVK（HML-2）在神經(jīng)發(fā)育中的作用尤其引人關(guān)注。最近，一項(xiàng)研究基于人類多能干細(xì)胞模型，結(jié)合CRISPR-VPR系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn) HERVK（HML-2）的異常激活可誘導(dǎo)神經(jīng)元分化相關(guān)基因的過早表達(dá)，進(jìn)而損害皮質(zhì)神經(jīng)元的發(fā)育，推測(cè)HERVK的異常激活可能與神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育異常及神經(jīng)退行性疾病有關(guān)。此外， HERV-K（HML-2）的多個(gè)拷貝具有完整的開放閱讀框，可在某些病理過程及衰老細(xì)胞中產(chǎn)生逆轉(zhuǎn)錄病毒樣顆粒（RVLPs）。然而，這些HERVK衍生的RVLPs是否以及如何調(diào)節(jié)腫瘤發(fā)生或衰老還有待進(jìn)一步回答。

反轉(zhuǎn)座子LINE-1（L1）在衰老及免疫反應(yīng)過程中的作用近期也得到了廣泛關(guān)注。研究發(fā)現(xiàn)， BMAL1可通過穩(wěn)定異染色質(zhì)，進(jìn)而抑制L1-cGAS-STING途徑的激活來防止干細(xì)胞衰老，推測(cè)L1轉(zhuǎn)錄本可通過促進(jìn)IFN-I介導(dǎo)的先天免疫信號(hào)驅(qū)動(dòng)細(xì)胞衰老。有趣的是，有研究表明，L1轉(zhuǎn)錄本的表達(dá)有助于維持新生CD4+T細(xì)胞的靜止?fàn)顟B(tài)。同時(shí)，在功能失調(diào)的T細(xì)胞中也觀察到 L1的異常轉(zhuǎn)錄，提示其在調(diào)控T細(xì)胞衰竭方面具有潛在功能。

值得注意的是，作為人類基因組中唯一自主性轉(zhuǎn)座元件，L1轉(zhuǎn)座可能會(huì)誘發(fā)插入性誘變。一項(xiàng)研究通過泛癌基因組分析發(fā)現(xiàn)，近一半的人類癌細(xì)胞系表現(xiàn)出體細(xì)胞L1轉(zhuǎn)座活性，提示L1轉(zhuǎn)座可能通過引起基因功能缺失而促進(jìn)腫瘤發(fā)生。有趣的是，同時(shí)有研究卻揭示L1在抑制腫瘤進(jìn)展方面具有潛在作用。HUSH復(fù)合體的組成蛋白MPP8被證明在骨髓性白血病中參與抑制L1，而L1的重新激活則會(huì)抑制腫瘤細(xì)胞生長(zhǎng)。這些表明L1的轉(zhuǎn)座活性具有腫瘤類型特異性。

總的來說，最新的一系列研究進(jìn)一步證實(shí)，在正常生理?xiàng)l件下，反轉(zhuǎn)座子的轉(zhuǎn)錄激活參與調(diào)控人類早期胚胎發(fā)育，而其在體細(xì)胞中的異常激活則與疾病發(fā)生和衰老密切相關(guān)，這強(qiáng)調(diào)了基因組監(jiān)控系統(tǒng)的重要性。事實(shí)上，像其他真核生物一樣，人類已經(jīng)進(jìn)化出一套高度協(xié)調(diào)的分子機(jī)制來控制反轉(zhuǎn)座子的轉(zhuǎn)錄活性，包括PIWI/piRNA途徑、KRAB-ZFP-KAP1復(fù)合體、DNA甲基化、組蛋白修飾及RNA修飾等。盡管反轉(zhuǎn)座子在人類衰老、神經(jīng)退行性疾病、免疫炎癥和癌癥等過程中存在廣泛影響，但其背后的因果聯(lián)系及分子機(jī)制還相當(dāng)模糊?；蚓庉嫼腿鷾y(cè)序技術(shù)將為有助于進(jìn)一步破譯反轉(zhuǎn)座子在早期發(fā)育和疾病中的多重角色。

原文鏈接：https://doi.org/10.1093/lifemedi/lnac041