責(zé)編丨迦溆
點評丨俞洋（中科院生物物理所研究員）； 張冬雷（華中科技大學(xué)教授）
Barbara Mclintock（1902-1992），上世紀(jì)50年代初在玉米中發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)座子，1983年獲得諾貝爾生理或醫(yī)學(xué)獎。
上世紀(jì)50年代，美國卡耐基研究所遺傳系 （此前依附于冷泉港實驗室）的Barbara McClintock在玉米中發(fā)現(xiàn)了跳躍基因（又被稱為“轉(zhuǎn)座子”）?；蚪M測序的完成使人們意識到在幾乎所有物種中，普通基因只占基因組的極少部分 (~2-3%)，而跳躍基因卻是基因組中豐度最高的。它們在人類基因組中高達(dá) ～50%。而在有些物種中甚至高達(dá)80-90%， 例如玉米和蛙類。由于它們的跳躍能夠?qū)е禄蚪M損傷和遺傳突變，近期研究表明跳躍基因的激活和一些生理病理過程緊密相關(guān)，如機(jī)體衰老，生殖障礙，癌癥或者神經(jīng)退行性疾病的發(fā)生【1-3】。盡管對跳躍基因的研究有重大的生理學(xué)意義，但人們目前還沒有能夠精確的檢測它們的活性?？茖W(xué)家們目前大多只能用mRNA的豐度來預(yù)示它們的活性，但我們并不知道它們是在何時跳躍的和怎么實現(xiàn)跳躍的。
近日，美國卡耐基研究所胚胎系（目前依附于約翰霍普金斯大學(xué)）張釗組（ZZ-Lab）在 Cell上發(fā)表了題為Hijacking Oogenesis Enables Massive Propagation of LINE and Retroviral Transposons的最新研究成果。該研究建立了在機(jī)體水平上精確檢測轉(zhuǎn)座子跳躍的系統(tǒng)方法，揭示了跳躍基因如何利用卵子發(fā)生過程實現(xiàn)自己的擴(kuò)增并導(dǎo)致突變和生殖障礙，為我們理解遺傳性基因突變和生物生殖障礙提供了新的方向。
由于跳躍基因的潛在危險性，生物體形成了多重防衛(wèi)系統(tǒng)。在動物生殖系統(tǒng)中，人們發(fā)現(xiàn)一類小RNA（piRNA）可能在抑制轉(zhuǎn)座子活性上起到了重要的作用【4, 5】。 據(jù)悉，在建立自己的獨立實驗室之前， 張釗博士一直致力于研究piRNA的生成機(jī)制。piRNA 產(chǎn)生的異常會導(dǎo)致轉(zhuǎn)座子mRNA豐度大量增加和動物生殖障礙。由于其特殊的生物學(xué)意義，piRNA研究得到了科學(xué)家們很大的關(guān)注，但我們并不知道在piRNA產(chǎn)生異常的情況下，轉(zhuǎn)座子是否真正的實現(xiàn)了跳躍并導(dǎo)致動物不育。為了解決這個重要生物學(xué)問題，張釗組創(chuàng)立了新的科研平臺來在單細(xì)胞水平上精確的檢測轉(zhuǎn)座子的跳躍。利用這套新的平臺，他們檢測到轉(zhuǎn)座子并不是像科學(xué)家們想象的在所有生殖細(xì)胞中都進(jìn)行跳躍。有趣的是，這些跳躍基因進(jìn)化出了一套極為特殊而高效的系統(tǒng)，能夠利用卵子發(fā)育過程中的一個較短階段實現(xiàn)大量的擴(kuò)增。
在動物卵子發(fā)育過程中，卵子前體細(xì)胞會持續(xù)分裂并分化出卵子和撫育細(xì)胞 （nurse cell）。正如名稱所示，撫育細(xì)胞負(fù)責(zé)生成卵子發(fā)育所需的蛋白質(zhì)、RNA和其它營養(yǎng)物質(zhì)。這些營養(yǎng)物質(zhì)通過微管傳遞給發(fā)育中的卵子。在卵子發(fā)育末期，所有撫育細(xì)胞都進(jìn)行細(xì)胞凋亡而只有卵子存活下來【6，7】。
張釗組的科研成果表明轉(zhuǎn)座子在卵子前體細(xì)胞里并不跳躍。它們等到前體細(xì)胞分化出撫育細(xì)胞后，在撫育細(xì)胞里大量的表達(dá)自己的mRNA和蛋白，并可能形成“類病毒顆?！?。但這些轉(zhuǎn)座子產(chǎn)物并不跳躍到生成它們的撫育細(xì)胞的基因組里，它們特定的“侵襲”微管轉(zhuǎn)運系統(tǒng)，高效的運輸其產(chǎn)物到發(fā)育的卵子中。最終只跳躍到卵子的基因組上從而實現(xiàn)完美的逆襲。
該文章所揭示的轉(zhuǎn)座子在跳躍水平上的高度的細(xì)胞選擇性是人們之前并沒有想到的。另外，這篇文章表明，如果沒有piRNA的保護(hù)，轉(zhuǎn)座子在一套基因組上能夠?qū)崿F(xiàn)成千上百次跳躍，產(chǎn)生大量的基因組損傷，從而導(dǎo)致卵子死亡。因而該研究很好的解釋了動物為什么要進(jìn)化出一套特定的piRNA系統(tǒng)來保持生殖細(xì)胞基因組的穩(wěn)定性和完整性。
總的來說，該研究創(chuàng)立了研究轉(zhuǎn)座子跳躍的系統(tǒng)工具，發(fā)現(xiàn)了轉(zhuǎn)座子能夠高效的利用生物機(jī)體的發(fā)育過程來實現(xiàn)大量的細(xì)胞選擇性的擴(kuò)增。為我們深層次的理解生物進(jìn)化，遺傳疾病的發(fā)生及生殖障礙提供了新的方向。盡管傳統(tǒng)意義上被稱為“垃圾DNA”，但近期研究表明轉(zhuǎn)座子在胚胎發(fā)育，神經(jīng)發(fā)育，腫瘤生成及機(jī)體衰老等生命過程中都可能發(fā)揮重要作用。由于其在基因組上的極高豐度和易導(dǎo)致突變的本質(zhì)，轉(zhuǎn)座子研究必將能夠在不久的將來給我們帶來更多的新的“驚喜”。
據(jù)悉，張釗實驗室（ZZ-Lab）在研究轉(zhuǎn)座子在生殖系統(tǒng)中的調(diào)控的同時，也致力理解于其在體細(xì)胞中（尤其是在癌癥發(fā)生和衰老過程中）的功能。其課題組誠邀有誠之士加盟合作，點擊文末“閱讀原文”可查看實驗室信息。（實驗室網(wǎng)頁：https://emb.carnegiescience.edu/science/faculty/zhao-zhang）！
專家點評
俞洋（中科院生物物理所、中科院核酸生物學(xué)重點實驗室研究員，”青年千人“，研究方向：非編碼核酸的生物功能和作用機(jī)制）
Comments：在動物的生殖細(xì)胞中，跳躍基因(轉(zhuǎn)座子)必須被嚴(yán)格控制，而轉(zhuǎn)座子的異常跳躍通常會導(dǎo)致動物完全不孕不育。同時，早年研究發(fā)現(xiàn)Piwi家族蛋白則是控制生殖細(xì)胞中分化發(fā)育的關(guān)鍵分子（由Yale/ShanghaiTech的美國科學(xué)院院士林海帆老師于1998年首次報道，Cox et al., 1998；Deng & Lin， 2002）。在Craig Mello和Andy Fire報道了RNAi現(xiàn)象之后的幾年里，當(dāng)時還在莫斯科Institute of Molecular Genetics的Vladimir Gvozdev實驗室讀博士的Alexei Aravin則首次報道在果蠅生殖細(xì)胞中，存在著一類非編碼小RNA（short Su(Ste) RNAs），并推測它們可能抑制testis特異表達(dá)的Stellate基因（Aravin et al., 2001）。也許是為了趕時髦，當(dāng)時這些非編碼小RNA被誤認(rèn)為“siRNA”。而真正建立Piwi家族蛋白跟這類生殖細(xì)胞中特殊的非編碼小RNA的聯(lián)系已經(jīng)是2006年的事了。在2006年6月4號，Gregory Hannon實驗室和Thomas Tuschl實驗室同時證實了Piwi-interacting RNA的存在，并將其命名為piRNA（Girard at al., 2006 Jun 4；Aravin et al., 2006 Jun 4）。在隨后的一周到幾個月的時間內(nèi)，林海帆實驗室 (Grivna et al., 2006 Jun 9)、Hiroshi Ima實驗室 （Watanabe， 2006 Jun 9）、Robert Kingston實驗室 ( Lau et al., 2006 Jun 15)、Philip Zamore實驗室（Vagin et al., 2006 Jun 29）和Mikiko Siomi實驗室 (Saito et al., 2006 Aug 1) 也先后相繼報道了動物生殖細(xì)胞存在piRNA的工作（見Narry Kim在2006年G&D的Review, 20(15):1993-7）。
通常情況下piRNA通路的失活會導(dǎo)致轉(zhuǎn)座子mRNA在生殖細(xì)胞中過表達(dá)，與此同時，大家一般能觀察到疑似DNA斷裂染色（-His2Av染色 ）的增加，這些都跟基因組的不穩(wěn)定性有著密切的關(guān)系， 很可能是最終導(dǎo)致動物體不孕不育的重要原因之一（Klattenhoff et al., 2007）。但到目前為止，幾乎所有相關(guān)piRNA的研究都假定轉(zhuǎn)座子mRNA的表達(dá)水平能準(zhǔn)確預(yù)示轉(zhuǎn)座子跳躍的活性。很少有人直接測量轉(zhuǎn)座子是否能實現(xiàn)真正的跳躍和傳代。一個更加重要的問題是，在轉(zhuǎn)座子活化之后，它們會跳到哪里？
Carnegie Institute的張釗實驗室（ZZ-Lab，https://emb.carnegiescience.edu/science/faculty/zhao-zhang）最新發(fā)表的Cell文章首次在動物水平給我們提供了詳盡的答案。張釗是Phillip Zamore和William Theurkauf的共同博士生，博士畢業(yè)后直接獨立做了staff associate然后promote成staff meber（相當(dāng)于PI）。 張釗他們首先利用經(jīng)典的遺傳學(xué)手段來激活果蠅里的一種轉(zhuǎn)座子（LINE1 type–I-element），然后運用自己實驗室在果蠅中建立的綠色熒光蛋白和基因組測序方法去跟蹤I-element的跳躍。令人驚奇的是，他們發(fā)現(xiàn)I-element并不是在所有生殖細(xì)胞里都進(jìn)行跳躍（果蠅的生殖細(xì)胞由生殖干細(xì)胞GSC分化發(fā)育而來，最終變?yōu)?5個Nurse Cell和一個Oocyte）。有趣的是， I-element轉(zhuǎn)座子能夠利用卵子發(fā)育過程中產(chǎn)生的Nurse Cell作為工廠來表達(dá)他們的m RNA和蛋白質(zhì)，然后借助轉(zhuǎn)運蛋白通過Ring Canal運輸?shù)降穆炎?/span>（Oocyte）中，最終實現(xiàn)在卵子細(xì)胞基因組中的插入。隨后，張釗等人進(jìn)一步研究了其他轉(zhuǎn)座子是否能利用類似的“策略”來實現(xiàn)大量的跳躍以達(dá)到擴(kuò)增遺傳到下一代的目的。在piRNA通路被阻斷的情況下， 他們發(fā)現(xiàn)少數(shù)幾類逆轉(zhuǎn)錄病毒轉(zhuǎn)座子（endogenous retrotransposon）也能插入到卵子細(xì)胞中。他們的工作從分子層面解釋了為什么piRNA通路突變會導(dǎo)致動物的生殖障礙，也為進(jìn)一步研究轉(zhuǎn)座子的跳躍機(jī)制提供了基礎(chǔ)。
總的來講，這項工作在下面三個方面給我們帶來了全新的認(rèn)識：
（1）在這項工作之前，人們普遍的認(rèn)為轉(zhuǎn)座子在所有生殖細(xì)胞，如生殖干細(xì)胞，Nurse Cell等里都具有跳躍活性。張釗組的研究表明這些自私的跳躍基因能夠很好的利用卵子發(fā)生過程實現(xiàn)最關(guān)鍵的跳躍，即優(yōu)先插入能傳代的卵子細(xì)胞。
（2）以前人們往往只停留在檢測轉(zhuǎn)座子的mRNA，然后根據(jù)mRNA的表達(dá)水平推測轉(zhuǎn)座子的活性。這篇新的研究表明即使許多轉(zhuǎn)座子mRNA增加后，也不能完成跳躍。所以依據(jù)mRNA豐度來預(yù)測轉(zhuǎn)座子活性并不可靠。
（3）piRNA因其能抑制轉(zhuǎn)座子活性而得到人們的大量關(guān)注。有趣的是，這篇文章發(fā)現(xiàn)在piRNA受阻的情況下，很多轉(zhuǎn)座子依然無法在生殖干細(xì)胞里進(jìn)行跳躍。那么除了piRNA，生殖細(xì)胞是否還有其他的途徑來抑制轉(zhuǎn)座子跳躍呢？這個通路有無可能是endo-siRNA通路呢（Czech et al., 2008; Tam et al., 2008；Ghildiyal et al., 2008; Kawamura et al., 2008; Okamura et al., 2008）?
仔細(xì)想一下，在漫長的進(jìn)化過程中，這些轉(zhuǎn)座子真心變得很“聰明”，因為它們似乎知道只有跳躍到未來的配子里面才能實現(xiàn)自身的復(fù)制。當(dāng)哺乳動物受精卵進(jìn)入早期胚胎發(fā)育時期, 轉(zhuǎn)座子也會在ZGA的時候大量激活（e.g. Grow et al., 2015; Wu et al., 2016; Lu et al., 2016； Liu et al., 2016; Zhang et al., 2016; Dahl et al., 2016），這個時期的轉(zhuǎn)座子如何被控制，是否或如何跳躍 ，它們的活化是否有著更深層次的生物學(xué)意義都是亟待深入研究的問題。在這個方面，最近的研究似乎表明過量表達(dá)的LINE1的RNA能跟nucleolin形成復(fù)合物，而這個復(fù)合物有可能是小鼠早期胚胎正常發(fā)育所必須的（e.g. Percharde et al., 2018）。
專家點評
張冬雷（華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院教授，著重于piRNA這一類非編碼小RNA調(diào)控其靶基因表達(dá)的分子機(jī)制的研究）
Comments：由于細(xì)胞異質(zhì)性（heterogeneity）廣泛存在于原核細(xì)胞和真核細(xì)胞群體中，因此在單細(xì)胞水平上的分析（single cell study）可能會發(fā)現(xiàn)在研究細(xì)胞群體時很難被認(rèn)知的現(xiàn)象。本期Cell雜志（Cell 174, 2018）上Carnegie Institution for Science張釗課題組的文章通過在單細(xì)胞水平對轉(zhuǎn)座子轉(zhuǎn)座活性的分析，成為此類研究的一個優(yōu)秀案例。眾所周知，真核細(xì)胞基因組中含有非常高比例的轉(zhuǎn)座子及其相關(guān)序列，如高達(dá)60%的人類基因組序列由轉(zhuǎn)座子及相關(guān)序列組成，轉(zhuǎn)座子的轉(zhuǎn)座活性（尤其是在生殖細(xì)胞中的活性）會造成基因組完整性的確實，因此在生殖細(xì)胞中抑制轉(zhuǎn)座子的活性對基因組的穩(wěn)定遺傳至關(guān)重要。
張釗課題組通過果蠅卵子發(fā)生過程中的轉(zhuǎn)座子轉(zhuǎn)座活性的單細(xì)胞水平研究，發(fā)現(xiàn)了隱藏著的一個有趣現(xiàn)象。他們富有想象力的構(gòu)建了一個基于GFP的報告基因，只有當(dāng)轉(zhuǎn)座子發(fā)生轉(zhuǎn)座時，該GFP報告基因才會表達(dá)，因此可以通過顯微鏡觀察果蠅卵子發(fā)生過程中GFP的表達(dá)情況，獲得到單細(xì)胞水平轉(zhuǎn)座子的轉(zhuǎn)座信息。他們發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)座只在卵母細(xì)胞（oocyte）中發(fā)生，而不再營養(yǎng)細(xì)胞（nurse cell）中發(fā)生。以此為啟發(fā)，他們通過抑制piRNA通路來激活果蠅內(nèi)源轉(zhuǎn)座子，并分析了這些轉(zhuǎn)座子的轉(zhuǎn)座情況，發(fā)現(xiàn)這是一個相對普遍的現(xiàn)象，尤其對于LTR和LINE類型的轉(zhuǎn)座子來說。他們進(jìn)一步證明了這些轉(zhuǎn)座子的轉(zhuǎn)錄發(fā)生在nurse cell，轉(zhuǎn)錄本通過微管介導(dǎo)的運輸系統(tǒng)進(jìn)入oocyte，之后插入到oocyte的基因組中。轉(zhuǎn)座子，作為病毒的一種原始形態(tài)，只有進(jìn)入生殖細(xì)胞，才能通過宿主的繁殖而使自己的基因組得以最大程度的繁衍。在果蠅胚胎的正常發(fā)育過程中，nurse cell的作用即為合成oocyte發(fā)育所需的各種物質(zhì)，并通過細(xì)胞之間的連接進(jìn)行物質(zhì)運輸，保證oocyte的正常發(fā)育。這里充分體現(xiàn)了入侵核酸和宿主之間的協(xié)同進(jìn)化關(guān)系，即入侵核酸可以利用宿主自身進(jìn)化出的機(jī)制來進(jìn)行繁衍。果蠅轉(zhuǎn)座子這一在不同細(xì)胞中的轉(zhuǎn)座異質(zhì)性在之前的研究中一直被忽視，該研究提出了轉(zhuǎn)座子進(jìn)行繁衍和傳播的新觀點，使我們進(jìn)一步認(rèn)識到了生命的精巧和復(fù)雜。
值得注意的是，該研究更為細(xì)致的定義了“轉(zhuǎn)座子活性”這一概念，即傳統(tǒng)方法通過mRNA的水平來定義轉(zhuǎn)座子的活性是不準(zhǔn)確的，因為該研究發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)座子mRNA的水平和轉(zhuǎn)座子插入基因組這一事件是沒有相關(guān)性的，而顯然只有當(dāng)轉(zhuǎn)座子重新插入基因組，才是轉(zhuǎn)座子活性的最終體現(xiàn)。這意味著以后研究人員進(jìn)行其他轉(zhuǎn)座子相關(guān)研究時，需要首先確認(rèn)轉(zhuǎn)座子轉(zhuǎn)錄活性和基因組插入活性的相關(guān)性。
由于人類基因組中存在大量LTR和LINE類型轉(zhuǎn)座子，因此值得進(jìn)一步研究的是，是否在高等生物中也存在此類異質(zhì)性的現(xiàn)象。另外，該研究指出，在轉(zhuǎn)座子發(fā)生轉(zhuǎn)錄的nurse cell內(nèi)，存在某種獨立于piRNA通路以外的機(jī)制抑制了轉(zhuǎn)座子重新插入到nurse cell的基因組，對該機(jī)制的進(jìn)一步研究，將會使我們對轉(zhuǎn)座子有更深入的認(rèn)識，而且必將對包括基因重組、病毒入侵、轉(zhuǎn)座子相關(guān)疾病等方面的研究產(chǎn)生重要影響。
通訊作者簡介
張釗，本科就讀于山東農(nóng)業(yè)大學(xué)（2001-2005），碩士畢業(yè)于北京師范大學(xué)（2005-2008），于2014年獲美國麻省大學(xué)醫(yī)學(xué)院博士學(xué)位。2014年11月起任美國卡耐基研究所胚胎系獨立研究員（PI）。2015年獲美國NIH “Director’s early independence aeward”資助（2015年-2020年）。更多實驗室詳情：
https://emb.carnegiescience.edu/science/faculty/zhao-zhang
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