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浙大校友一作Nature论文:新型RNA剪接系统——SOS剪接,在mRNA水平修复转座子的破坏

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撰文丨王聪

编辑丨王多鱼

排版丨水成文

转座元件(Transposable Element,TE),即转座子,其本质是一类能够在基因组中移动或复制自身到不同位置的 DNA 序列,因此也被称为“跳跃基因”,广泛存在于各类生物的基因组中。

转座子移动整合到基因内或基因附近位点时,常常会破坏基因功能。这通常被细胞视为需要被控制的遗传“寄生”,为了应对这种威胁,生物体进化表观遗传系统来限制转座子的表达和复制。然而,尽管存在这些限制系统,现存基因组中转座子仍占有相当大的比例(3%-80%),这表明,针对转座子的沉默系统并非万无一失。当转座子沉默系统失效,且转座子移动到基因内时,生物体是否还有保护基因免受破坏的应急系统?这一点目前尚不清楚。

近日,哈佛医学院赵龙雯作为第一作者,在国际顶尖学术期刊Nature上发表了题为:An RNA splicing system that excises DNA transposons from animal mRNAs 的研究论文。

该研究报道了一种全新的、独立于经典剪接体(spliceosome)的 RNA 剪接系统——SOS 剪接(SOS splicing)。该剪接系统发挥着主动的基因组“急救”功能,能够从宿主 mRNA 上识别并切除 DNA 转座子序列,并将被切开的 mRNA 重新连接,从而在 mRNA 层面尽力修复被转座子破坏的遗传信息,在一定程度上恢复蛋白质表达,保护基因正常功能。

赵龙雯博士

论文第一作者赵龙雯,于 2020 年博士毕业于浙江大学生命科学研究院,2021 年至今在哈佛医学院进行博士后研究工作。

我们的基因组中充满了各种“可移动遗传元件”——转座子,它们就像基因组中的“流浪者”,能够从一个位置“跳跃”到另一个位置,有时会插入重要基因中,从而造成基因功能的破坏,甚至引发疾病。

长久以来,科学界认为生物体主要通过“压制”(例如表观遗传沉默)这些转座子的活性来保护基因免受转座子的破坏。然而,一旦这套“压制”系统失效,转座子成功整合到基因内,生物体是否就束手无策了呢?

意外发现:基因中的转座子为何没有造成破坏?

这项研究的起点是一个看似矛盾的现象。研究团队关注了一个模式动物秀丽隐杆线虫(C. elegans)中的基因——

rsd-3
,该基因对 RNA 干扰 (RNAi) 功能至关重要。当
rsd-3
基因被一个名为
Tc1
的 DNA 转座子插入时,按常理推断,这个基因应该失活了。

然而,实验结果显示,

rsd-3
基因中插入了
Tc1
转座子的线虫,其
rsd-3
基因的功能依然存在。

这是为什么?

研究团队通过纳米孔长读长测序技术,揭开了谜底——线虫基因组 DNA 中的

Tc1
转座子仍然存在,但在其转录出的 mRNA 中,
Tc1
序列却被高效地移除了。这意味着,转座子对基因组的破坏发生在 DNA 层面,但细胞却在 mRNA 层面进行了“急救”。

揭秘机制:SOS splicing 如何识别并切除转座子?

那么,细胞是如何知道 mRNA 里混入了“破坏分子”,又是如何进行切除的呢?

研究团队发现,细胞中存在一个全新的 RNA 剪接系统——SOS splicing,它的触发信号是 DNA 转座子的一个标志性特征——反向末端重复序列(ITR)。ITR 序列位于转座子两端,方向相反,可以在 mRNA 中通过碱基配对形成一个“发夹”状的二级结构。这个独特的“发夹”结构,就是 SOS splicing 系统启动的“警报信号”。

研究团队通过遗传筛选,找到了这一“急救”任务的三个关键“执行者”——

  • AKAP17A:负责识别并结合含有转座子的 mRNA,可以看作是“侦察者”。

  • RTCB:一种 RNA 连接酶,负责将转座子被切除后断裂的 mRNA 片段重新连接起来,是“修复者”。

  • CAAP1:作为“连接者”,将 RTCB 招募到 AKAP17A 所在的位置,从而让修复工作得以完成。

更重要的,在人类细胞中,这些蛋白质的同源蛋白发挥着同样的作用。

意义与展望:不只是“急救者”,更是进化参与者

这项研究意义重大,它揭示了一种全新的 mRNA 剪接模式——

  • 独立的修复通路:SOS splicing 不依赖于传统的剪接体,且剪接位点不遵循经典的 GU-AG 规则,是一条独立的 RNA 处理通路。

  • 广泛的保护策略:该系统从低等的线虫到高等的人类中都高度保守,说明它是一种古老而重要的基因保护策略。

  • 不完美但关键:SOS splicing 虽然高效,但并不精确,切除转座子后,留下的 mRNA 序列常常会发生微小突变(插入或缺失突变),导致许多修复后的 mRNA 仍然是“废品”。但是,只要有一定比例的修复是“正确”的,就能产生功能正常的蛋白质,从而为生物体提供了宝贵的生存机会。这为生物在进化中与转座子“共存”提供了可能。

  • 潜在的医疗应用:未来,如果我们能精确掌握触发 SOS splicing 的规律,或许能利用它来开发新的基因治疗策略,主动修复人类疾病基因中的有害突变。

总的来说,这项研究表明,当基因组中的表观遗传沉默系统被转座子“突破”后,细胞内部还潜伏着 SOS splicing 这样一支“急救部队”。它们虽不能保证完美修复,却为基因功能的存续提供了最后一道防线。这项研究不仅拓宽了我们对基因调控复杂性的认知,也为未来的生物技术和医学研究开辟了全新方向。

论文链接:

https://www.nature.com/articles/s41586-025-09853-8

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