清華新聞網(wǎng)6月11日電 上世紀(jì)五十年代，芭芭拉·麥克林托克斯（Barbara McClintocks）首次在玉米中發(fā)現(xiàn)一類能在基因組中移動(dòng)、改變自身位置的DNA序列——轉(zhuǎn)座子，并在1983年獲得諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。人類基因組中有接近一半的序列由轉(zhuǎn)座子構(gòu)成，其中，LINE-1（Long interspersed nuclear element-1, L1）占據(jù)了人類約17%的基因組序列，是目前人體內(nèi)唯一活躍且具有自主逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座能力的轉(zhuǎn)座子。盡管L1在體細(xì)胞中的表達(dá)通常受到抑制，但L1在人和小鼠早期胚胎發(fā)育的合子基因組激活（zygotic genome activation，ZGA）過程中卻瞬時(shí)高表達(dá)。這不僅說明L1的表達(dá)受到極其嚴(yán)格和精確的調(diào)控，而且暗示L1的表達(dá)在關(guān)鍵生理過程具有重要作用。然而科學(xué)界對(duì)于L1表達(dá)是如何被調(diào)控的以及L1在基因調(diào)控和ZGA中的功能還知之甚少。
6月7日，清華大學(xué)生命學(xué)院劉念課題組在《自然·遺傳學(xué)》（Nature Genetics）上在線發(fā)表題為“LINE-1反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子激活遠(yuǎn)程基因表達(dá)”（LINE-1 transcription activates long-rang gene expression）的研究論文。研究提供了第一個(gè)關(guān)于L1表達(dá)調(diào)控的全基因組篩選結(jié)果，系統(tǒng)性鑒定并驗(yàn)證了L1在長程基因激活中的廣泛作用，闡釋了L1轉(zhuǎn)錄如何促進(jìn)早期胚胎中ZGA過程的順利進(jìn)行，為理解L1在發(fā)育和疾病中的生理學(xué)功能提供一個(gè)新的視角。
圖1.L1的轉(zhuǎn)錄水平被功能多樣的基因所精密調(diào)控，也決定著L1選擇性地接觸并激活遠(yuǎn)程基因表達(dá)的功能，影響著早期胚胎發(fā)育中的ZGA，也可能影響衰老、癌癥和神經(jīng)系統(tǒng)性疾病等（左）。L1轉(zhuǎn)錄激活了小鼠早期胚胎發(fā)育中的第一波轉(zhuǎn)錄行為（minor ZGA）（右）
劉念課題組長期從事逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子調(diào)控和功能研究。在之前的工作中，系統(tǒng)鑒定了L1轉(zhuǎn)座過程的調(diào)控因子，并發(fā)現(xiàn)L1可以作為拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)域邊界。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，很多影響L1表達(dá)的調(diào)控因子與增強(qiáng)子的調(diào)控和功能相關(guān)（KMT2D, CTBP1, METTL3，METTL14等），這提示L1可能具有增強(qiáng)子活性。通過系統(tǒng)性挖掘全基因組自轉(zhuǎn)錄活性調(diào)控區(qū)測序（STARR-seq）數(shù)據(jù)，研究者發(fā)現(xiàn)L1 5’ 非翻譯區(qū)（5’ UTR）具有增強(qiáng)子特征，可以通過不依賴其位置或方向的方式激活基因表達(dá)。研究者使用CRISPRa/i系統(tǒng)靶向L1 5’ UTR，發(fā)現(xiàn)L1可以直接與其遠(yuǎn)端靶基因物理接觸，當(dāng)L1被激活時(shí)，L1與基因的相互作用變得更強(qiáng)；但當(dāng)L1沉默時(shí)，L1與基因的接觸則會(huì)減弱。
為了探究L1在ZGA過程中的作用，研究者首先比較了人和恒河猴基因組中L1插入及早期胚胎發(fā)育過程中基因的表達(dá)變化，發(fā)現(xiàn)L1的譜系特異性插入可能增強(qiáng)ZGA基因表達(dá)。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，小鼠中L1的5’ UTR上也富集增強(qiáng)子信號(hào)。因此，研究者使用CRISPRa/i和L1 ASO在小鼠胚胎干細(xì)胞中操縱L1表達(dá)，發(fā)現(xiàn)L1選擇性調(diào)控二細(xì)胞期特異基因的表達(dá)。小鼠胚胎發(fā)育過程中的scRNA-seq和Hi-C公共數(shù)據(jù)表明L1在early 2-cell時(shí)期就開始表達(dá)，并且直接與minor ZGA基因互作并激活其表達(dá)。研究者通過在小鼠胚胎的合子時(shí)期注射L1 ASO，發(fā)現(xiàn)L1的敲低會(huì)損害合子基因組激活并使小鼠胚胎發(fā)育阻滯在二至四細(xì)胞期。
綜上，該研究提供了功能多樣的L1表達(dá)調(diào)控因子，發(fā)現(xiàn)并驗(yàn)證了L1 5’ UTR作為增強(qiáng)子在早期胚胎發(fā)育階段以轉(zhuǎn)錄依賴的方式直接與ZGA基因互作并激活其表達(dá)。由于L1的活躍轉(zhuǎn)座使其仍在人基因組中擴(kuò)增，因此L1可能在人類基因組中持續(xù)增添新的順式DNA調(diào)控元件，進(jìn)而影響著人類的多種疾病和發(fā)育過程。該工作為研究L1的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)提供了豐富的資源，揭示了L1表達(dá)調(diào)控的復(fù)雜性和多樣性；解釋了為什么L1在胚胎發(fā)育過程中被激活，為理解L1在基因組中的功能提供了新的視角。
清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院、清華-北大生命科學(xué)聯(lián)合中心副教授劉念為論文通訊作者，清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院2019級(jí)博士生李秀峰、博士后別路垚、CLS項(xiàng)目2016級(jí)博士生王洋（已畢業(yè)）、博士后洪雅強(qiáng)為論文共同第一作者。研究得到清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院教授頡偉、孟安明，副教授郗喬然，清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院教授沈曉驊，清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心常在、張靜的大力幫助。研究得到清華-北大生命科學(xué)聯(lián)合中心、北京生物結(jié)構(gòu)前沿研究中心、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、清華大學(xué)自主科研計(jì)劃、本源公益基金等的支持。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41588-024-01789-5
供稿：生命學(xué)院
題圖設(shè)計(jì)：任帥
編輯：李華山
審核：郭玲
