Nat Genet | 转座子劫持邻近基因表达系统进行转录并调控发育

撰文|存中一贯

大约一半的哺乳动物基因组由转座因子（Transposable elements,TEs）组成【1】，这些遗传元件可以在基因组中移动，导致插入突变和基因组的不稳定【2】。为了阻止这些有害效应的发生，TEs在大多数体细胞中被DNA甲基化和其它表观遗传修饰所沉默，而一些生理或病理过程会引起表观遗传重塑导致一些TE的表达激活【3】。在哺乳动物的植入前发育过程中，几个TE家族的激活被证明参与了发育所需的多能性建立以及胚胎基因组激活过程【4】。在肿瘤发生、神经紊乱以及衰老过程中，异常的TE激活也被证明与疾病进程有关【5】。目前，我们对于胚胎植入后发育过程中TE的激活还了解的很少，尽管在这一关键时期全局表观遗传改变不影响细胞分化和器官形成，但一些TE序列的表观遗传修饰可能没有成功建立，从而导致TE的异常激活。基因组中精确的转录激活可能受到启动子-增强子的相互作用以及基因组的3D组织结构的调控【6】。 TEs可能包含转录因子的结合位点，或者作为可变的启动子或者增强子以及调控染色体的3D结构，TE插入也可能影响正常的转录进程。然而，这些基因调控方式如何影响TE的转录我们并不清楚。

近日，来自德国马克斯-普朗克研究所的 Stefan Mundlos 带领团队在 Nature Genetics 杂志发表了 文章

Enhancer adoption by an LTR retrotransposon generates viral-like particles, causing developmental limb phenotypes

研究人员选择了一个MusD家族（type D-related mouse provirus-like）的内源性逆转录病毒（endogenous retrovirus,ERV）进行研究，与其他TE相比，MusD在E3.5时期的小鼠内细胞团（inner cell mass）中具有高表达，另外，在胚胎植入后的E7.5至E13.5时期的某些组织中同样有特异性表达，这使MusD成为一个器官发育过程中很好的逆转录病毒研究模型。

Dactylaplasia是小鼠中一种由自发等位基因引起的肢体畸形，此等位基因被称为 Dac1J ，位于小鼠的19号染色体上，是一个MusD LTR逆转录转座子插入到 Fbwx4 和 Fgf8 基因中间的区域形成的。这段7.4 kb长的MusD-Dac1J序列包含一个逆转录病毒序列，含有 gag 、 pro 和 pol 基因，两侧分别有5’和3’端LTR序列，同时，与其他MusD元件类似，缺乏 env 基因。Dactylaplasa突变体表现出严重的缺趾型肢体表型，其特征是前爪和后爪中指缺失，指甲样结构异常。纯合子的表型是完全显性的，杂合子的表型会导致约76.2%的前肢异常和约85.7%的后肢异常。另外，这个表型取决于一个表观遗传调控因子（ Mdac ）的存在，它在小鼠不同品系间的存在具有多态性。MusD-Dac1J的插入会导致129sv小鼠患Dactylaplasia畸形，但在C57BL/6小鼠品系中没有影响，其主要原因是5’ LTR启动子区的CpG岛DNA甲基化异常所导致。利用CRISPR-Cas9从 Dac1J/Dac1J 品系中敲除此 Dac1J 序列能够拯救 Dac1J 插入引起的肢体畸形表型，说明了此序列在肢体表型异常中发挥了关键作用。

为了探究 Dac1J 插入引起的基因表达变化，研究人员对WT和 Dac1J/Dac1J 的不同时期的基因表达进行了检测，发现 Dac1J 插入在E11.5时期引起了AER（apical ectodermal ridge，顶端外胚层嵴）区域中 Fgf8 基因的表达异常。进一步的单细胞测序分析发现， Dac1J/Dac1J 插入导致AER区域细胞大量减少， Fgf8 基因表达也大幅下调。

进一步，研究人员发现，在 Dac1J 插入的基因座中，其它几个基因的表达并没有受到影响，只有AER区域细胞中的 Fgf8 基因受到 Dac1J 插入的影响。另外，MusD- Dac1J的转录本在AER区域表达 Fgf8 的细胞中同样有表达，其表达形式与 Fgf8 基因一致，说明 Dac1J 的转录与 Fgf8 受到协同调控。研究人员还发现， Dac1J 插入导致基因组出现异位染色质环形成，但此异位染色质环并不影响周围基因的表达。而且进一步的检测还发现，MusD-Dac1J LTR启动子的表达受到 Fgf8 TAD的调控，这是两者协同表达的原因。

研究人员进一步检测发现，MusD的三个基因都有表达，并在AER细胞中形成病毒样颗粒（VLPs），这种VLPs会导致AER区域细胞发生DNA损伤以及细胞凋亡，这也是 Fgf8 基因下调的原因。不过，因为缺少 env 基因，VLPs不具有感染性，仅影响其表达的AER细胞。

最后，研究人员发现MusD-Dac1J劫持 Fgf8 基因的增强子等调控元件来表达自身转录本的能力并不仅限于 Fgf8 基因，当MusD-Dac1J插入到其他基因的TAD时，它也能劫持相应基因的调控元件来表达自身转录本。

总之，本研究发现了在器官发育过程中，MusD-Dac1J这种逆转录转座子能够劫持邻近基因的转录系统来表达自身转录本，并对器官发育产生影响，这为我们理解发育以及逆转录转座子的作用机制提供了坚实的理论基础。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41588-025-02248-5

制版人： 十一

参考文献

1. Wells, J. N. & Feschotte, C. A field guide to eukaryotic transposable elements. Annu. Rev. Genet. 54, 539–561 (2020).

2. Payer, L. M. & Burns, K. H. Transposable elements in human genetic disease. Nat. Rev. Genet. 20, 760–772 (2019).

3. Deniz, O., Frost, J. M. & Branco, M. R. Regulation of transposable elements by DNA modifications. Nat. Rev. Genet . 20, 417–431 (2019).

4. Fadloun, A. et al. Chromatin signatures and retrotransposon profiling in mouse embryos reveal regulation of LINE-1 by RNA. Nat. Struct. Mol. Biol . 20, 332–338 (2013).

5. Tam, O. H., Ostrow, L. W. & Gale Hammell, M. Diseases of the nERVous system: retrotransposon activity in neurodegenerative disease. Mob. DNA 10, 32 (2019).

6. Andrey, G. & Mundlos, S. The three-dimensional genome: regulating gene expression during pluripotency and development. Development 144, 3646–3658 (2017).

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