垃圾 DNA 在哺乳動物的發育中起著至關重要的作用

但過去十年的研究表明，一些基因 “暗物質” 確實有功能，主要是調節宿主基因的表達——宿主基因僅占我們基因組的 2%——編碼蛋白質。然而，生物學家仍在爭論，這些 DNA 的調節序列是在人體中起著重要的還是有害的作用，還是僅僅是偶然的，一個有機體不需要就能生存的意外。

加州大學伯克利分校 (University of California, Berkeley) 和華盛頓大學 (Washington University) 的研究人員開展了一項新研究，探索了這種垃圾 DNA 的一個組成部分——轉座子的功能。轉座子是一種自私的 DNA 序列，能夠入侵宿主的基因組。這項研究表明，至少有一個轉座子家族——入侵我們基因組的數百萬種古老病毒——在小鼠的生存能力方面起著關鍵作用，也許在所有哺乳動物中也是如此。當研究人員敲除老鼠體內的一種特殊轉座子時，一半的老鼠幼鼠在出生前死亡。

這是第一個 “垃圾 DNA” 對哺乳動物生存至關重要的例子。

在小鼠中，這種轉座子調節早期受精胚胎細胞的增殖和在母體子宮內著床的時機。研究人員觀察了包括人類在內的其他 7 種哺乳動物，也發現了與細胞增殖和胚胎植入時間有關的病毒來源的調控元件，這表明古老的病毒 DNA 已被獨立馴化，在所有哺乳動物的早期胚胎發育中發揮了關鍵作用。

資深作者、加州大學伯克利分校分子和細胞生物學教授 Lin He 表示，這些發現突出了一個經常被忽視的進化驅動因素: 病毒整合到我們的基因組中，并被重新定位為宿主基因的調控者，開辟了以前沒有的進化選擇。

He 說:“老鼠和人類的基因組中有 99% 的蛋白質編碼基因是相同的，我們彼此非常相似。那么，老鼠和人類之間的區別是什么呢?” 其中一個主要的區別是基因調控——老鼠和人類有相同的基因，但它們可以被不同的調控。轉座子有能力產生大量的基因調節多樣性，可以幫助我們了解世界上的物種特定差異?！?/p>

密蘇里州圣路易斯華盛頓大學醫學院 (Washington University School of Medicine) 遺傳學系特級醫學教授 Ting Wang 對此表示贊同。

“這個故事的真正意義在于，它告訴我們進化是如何以最意想不到的方式進行的，”Wang 說?！稗D座子長期以來被認為是無用的遺傳物質，但它們構成了哺乳動物基因組的很大一部分。許多有趣的研究表明，轉座子是人類基因組進化的驅動力。然而，這是我知道的第一個刪除垃圾 DNA 片段導致致命表型的例子，證明了特定轉座子的功能可能是必不可少的?！?/p>

這一發現可能對人類不育有意義。根據第一作者、加州大學伯克利分校博士后安德魯 · 莫澤萊夫斯基 (Andrew Modzelewski) 的研究，近一半的人類流產是未經診斷的，或者沒有明確的遺傳成分。像這樣的轉座子會參與嗎?

He 說:“如果我們的基因組有 50% 是非編碼或重復的——這是暗物質——那么我們很容易提出這樣一個問題: 人類生殖和人類不育的原因是否可以用垃圾 DNA 序列來解釋?”

胚胎植入

He 是加州大學伯克利分校 Thomas 和 Stacey Siebel 杰出講座教授，研究人類 98% 或更多的不編碼蛋白質的基因組。在 He 的大部分職業生涯中，她專注于 microRNAs 和較長的非編碼 RNA 片段，這兩種都是有效的基因調節器。然而，五年前，她的團隊意外地發現了一個名為 MERVL(小鼠內源性逆轉錄病毒元素) 的轉座子家族的 microRNA 調節器，它參與了早期小鼠胚胎細胞命運的決定。小鼠胚胎中出乎意料的大量轉座子轉錄使何建平的團隊開始研究轉座子的發育功能，轉座子在地球上幾乎所有生物的基因組中都占據了一席之地。

在本周發表在《Cell》雜志上的一篇論文中，He 和她的團隊確定了涉及的關鍵調控 DNA：一段轉座子——一種病毒啟動子——已被重新用作小鼠基因的啟動子，該基因產生一種蛋白質，參與發育中胚胎的細胞增殖和胚胎植入的時間。啟動子是基因上游轉錄和表達所需的短 DNA 序列。

野生小鼠使用這種被稱為 MT2B2 的轉座子啟動子，在早期胚胎中啟動基因 Cdk2ap1 的轉錄，以產生一種短蛋白質 “異構體”，增加受精胚胎中的細胞增殖并加速其在子宮中的植入。他們使用 CRISPR-EZ（Modzelewski 和他幾年前開發的一種簡單而廉價的技術）禁用了 MT2B2 啟動子，并發現小鼠將其默認啟動子的 Cdk2ap1 基因表達為一種較長形式的蛋白質，一種長的亞型，這產生了相反的效果：細胞增殖減少，植入延遲。

這種基因敲除的結果是大約一半的幼崽在出生時死亡。

Modzelewski 說，這種蛋白質的短形式似乎使小鼠植入的胚胎在子宮內有規律的間隔，以防止擁擠。當啟動子被敲除，只有長型存在時，胚胎似乎是隨機植入的，其中一些在子宮頸上，這阻礙了完全發育的胎兒的出口，有時在分娩過程中殺死母親。

他們發現，在胚胎植入前的 24 小時內，MT2B2 啟動子使 Cdk2ap1 基因的表達急劇上升，以至于該蛋白的短形式占胚胎中存在的兩種亞型的 95%。當 Cdk2ap1 基因上游的默認啟動子激活時，長異構體通常在妊娠后期產生。

該研究小組與 Wangqing Shao 合作，他是該研究的第一作者之一，也是 Wang 所在華盛頓大學研究小組的博士后研究員。研究小組搜索了八種哺乳動物植入前胚胎的公開數據，包括人類、恒河猴、狨猴、小鼠、山羊、奶牛、豬和負鼠——觀察轉座子在植入其他物種之前是否短暫開啟。這些在線數據單細胞 RNA 測序（scRNA-seq），該技術記錄單細胞中信使 RNA 的水平，指示哪些基因被開啟和轉錄。在所有情況下，他們都必須檢索非編碼 DNA 的數據，因為通常在分析之前會將其刪除，并假定其不重要。

雖然轉座子通常是特定于單個物種的——例如，人類和老鼠的組合就有很大的不同——但研究人員發現，不同物種特定的轉座子家族在植入所有八種哺乳動物 (包括負鼠) 之前會短暫開啟，負鼠是唯一一種不用胎盤將胚胎植入子宮的哺乳動物。

He 說:“令人驚訝的是，不同的物種在植入前胚胎中表達的轉座子有很大的不同，但這些轉座子的整體表達譜在所有哺乳動物物種中幾乎是相同的?！?/p>

同事和共同資深作者 Davide Risso，開發了一種將特定轉座子連接到植入前基因的方法，以便清除基因組中存在的數以千計的相關轉座子拷貝。該方法對于識別具有重要基因調控活性的單個轉座因子至關重要。

Risso 說：“值得注意的是，我們使用的數據大多基于以前的測序技術，稱為 SMART seq，它涵蓋了 RNA 分子的完整序列。目前流行的技術，10x 基因組技術，不會向我們展示不同水平的蛋白質異構體?！?/p>

病毒是進化的宿主

研究人員發現，在幾乎所有的八種哺乳動物物種中，都存在短 Cdk2ap1 和長 Cdk2ap1 亞型，但它們在不同的時間和比例上被開啟，這與胚胎植入的時間是早 (如小鼠) 還是晚 (如牛和豬) 有關。因此，在蛋白質水平上，短亞型和長亞型都是保守的，但它們的表達模式是特定物種的。

Modzelewski 說:“如果你有很多短 Cdk2ap1 亞型，比如小鼠，你可以很早就植入，而在牛和豬這樣的物種中，短亞型沒有或很少，植入需要長達兩周或更長時間?！?/p>

Wang 懷疑產生長形式蛋白質的啟動子可能是小鼠的原始啟動子，但是很久以前整合進基因組的病毒后來被調整為調控元件，產生了短形式和相反的效果。

“所以，這里發生的是一種嚙齒動物特異性病毒進來，然后宿主決定，‘好，我要用你作為我的啟動子來表達這個更短的 Cdk2ap1 亞型?！覀兛吹较到y內建的冗余，我們可以利用自然拋給我們的任何東西，使它有用，”Wang 說?！叭缓?，這個新的啟動子恰好比舊的更強。我認為這從根本上改變了嚙齒動物的表型; 也許這就是讓它們生長得更快的原因——植入前的時間更短。所以，它們可能從這種病毒中獲得了一些健康益處?！?/p>

“無論你在生物學中觀察什么，你都會看到轉座子被使用，僅僅是因為有這么多的序列，”Wang 補充說?！八鼈儽举|上為選擇提供了一個進化庫?！?/p>

原文檢索：

Andrew J. Modzelewski, Wanqing Shao, Jingqi Chen, Angus Lee, Xin Qi, Mackenzie Noon, Kristy Tjokro, Gabriele Sales, Anne Biton, Aparna Anand, Terence P. Speed, Zhenyu Xuan, Ting Wang, Davide Risso, Lin He. A mouse-specific retrotransposon drives a conserved Cdk2ap1 isoform essential for development. Cell, 2021; DOI: 10.1016/j.cell.2021.09.021