Science：许瑞明/金文星团队解析人类逆转座子LINE-1的DNA靶向转机制

撰文丨王聪

编辑丨王多鱼

排版丨水成文

逆转座子（Retrotransposon）通过 RNA 中间体复制并将其编码序列插入新的基因组位置，对基因组完整性构成风险。在人类中，唯一自主活跃的逆转座子是LINE-1（long interspersed nuclear element–1），它通过靶标启动的逆转录（TPRT）入侵基因组。这一过程由 LINE-1 编码的ORF2p催化，ORF2p具有内切酶（EN）和逆转录酶（RT）活性。然而，ORF2p 如何精确调控 LINE-1 的基因组靶向及 TPRT 的执行机制，目前仍不清楚。

2025 年 10 月 9 日，中国科学院生物物理研究所许瑞明、金文星团队在国际顶尖学术期刊Science上发表了题为：Mechanism of DNA targeting by human LINE-1 的研究论文。

这项工作突破了ORF2p体外纯化与功能研究的瓶颈，解析了LINE-1逆转座过程中执行若干核心重要功能的分子机制，包括 ORF2p 进行 RNA 的逆转录以及识别多样性 RNA 底物的作用机制；ORF2p 靶向切割基因组 DNA；以及 LINE-1 转座与细胞复制偶联的分子原理，从而揭示了 LINE-1 在进化上的独特性。

在这项最新研究中，研究团队在真核细胞中表达了人类 ORF2p，并纯化了 ORF2p 与内源性核酸形成的复合物。通过冷冻电镜（cryo-EM）、脱氧核糖核酸酶和核糖核酸酶消化以及 DNA 和 RNA 测序，对复合物的结构和组成进行了分析。此外，研究团队还进行了体外内切酶活性测定，以研究 ORF2p 高效切割所偏好的 DNA 底物的特征。

从昆虫细胞或人类细胞中提纯的 LINE-1 ORF2p 蛋白与内源性核酸之间存在紧密的结合。冷冻电镜分析发现，共纯化的核酸有两种不同的片段：一种是位于逆转录酶活性位点口袋内的 A 型 RNA/DNA 杂交体，另一种是带有单链尾部的 B 型双链 DNA（dsDNA），其主要通过序列非特异性的电荷相互作用结合在 ORF2p 的外表面。将 ORF2p 与其他非长末端重复逆转座子复合物的结构进行比较，发现它们的 DNA 结合路径总体相似，但 ORF2p 明显不同之处在于缺乏序列特异性 DNA 结合的决定因素，并且其内切酶结构域通过灵活的连接与 dsDNA 结合区域相距较远。与生化和结构特征一致的是，共纯化的 DNA 测序显示富含重复的卫星 DNA 元件。RNA 测序数据表明 ORF2p 能够结合并逆转录多种细胞 RNA。

研究团队进一步探索了复制中间体 DNA 结构是否会影响 ORF2p 的内切酶活性。体外核酸酶活性测定表明，ORF2p 对具有叉状或悬突结构的 DNA 底物的活性显著增强，该结构位于携带 TTTTT/AA 共有序列的 ORF2p 切割基序的 5' 方向约 6-10 个碱基对处。对另一条链的切割主要发生在距离该基序 8-12 个核苷酸的 TA、TC 和 TG 二核苷酸之间。因此，ORF2p 对两条 DNA 链的切割导致了 8-12 个核苷酸的交错侧翼偏移，这解释了 LINE-1 整合时靶位点重复的产生。

LINE-1 ORF2p 的 DNA 结合模式及靶点偏好性

总的来说，该研究通过结构生物学和生化分析，发现 ORF2p 是一种结构依赖性内切酶，它结合于切割位点上游的双链 DNA 区域，并识别下游的叉状或翼状结构以实现高效 DNA 切割。这一发现表明，LINE-1 的逆转座过程可能利用染色体生物学过程中产生的非经典 DNA 结构中间体来实现基因组的入侵和重排。这些发现不仅深化了对逆转录转座分子机制的理解，也为研究基因组动态变化和进化提供了重要见解。

论文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adu3433