【48812】国科大导师张勇研讨组经过协作提醒动物中DNA转座子经过两种机制介导基因重复

　　1950年Barbara Mclintock 初次在玉米中发现转座子，并由此取得诺贝尔奖。长期以来，转座子自身被认为是废物DNA，但现在它们被认为是宿主基因组演化的重要推动力。转座子类型很多，包括non-LTR（Long Terminal Repeat）型反转座子、 LTR型反转座子、Helitron型DNA转座子、TIR（Terminal Inverted Repeat）型DNA转座子等。它们可引起包括基因重复（gene duplication）在内的各种遗传骤变。试验依据阐明non-LTR型反转座子在人类基因组中介导基因重复，发生很多新基因[1]；中国科学院动物研讨所张勇研讨组于2016年发现动物中，LTR可借由模板跳转介导基因重复[2]；Helitron在蝙蝠中经过通读（transduction）的方式介导基因重复[3]。到目前为止，TIR型转座子介导基因重复的才能只在植物中被提醒，其间水稻中的MULE元件捕获很多宿主基因，构成Pack-MULE的嵌合结构[4]。但TIR型转座子介导基因重复构成的机制仍不清楚，动物中此类基因重复也鲜有报导。

　　2021年7月13日，张勇研讨组等在Nature Communications杂志上在线宣布题为“DNA transposons mediate duplications via transposition-independent and -dependent mechanisms in metazoans”的研讨论文。该研讨初次大规模查找了100个动物基因组，判定了TIR转座子介导的基因重复，并将其命名为Pack-TIR。研讨之后发现大部分基因重复的发生不依赖转座活性，契合缺口添补（gap-filling）模型；在黑腹果蝇集体基因组数据中找到的最年青的多仿制基因Ssk-FB4则契合新提出的模板跳转及转座（FoSTeST）模型。蛋白质组、自然挑选压力剖析及表型相关剖析显现Ssk-FB4s编码功用蛋白。这些效果证明TIR转座子能重塑基因结构，发生新基因；这是该研讨组自发现动物中LTR转座子介导基因重复的效果以来又一项严重新发现，有助于添补范畴空白。

　　在该研讨中，研讨团队首要收集了公共数据库UCSC中100个后生动物的基因组，核算剖析判定出370个Pack-TIR元件（图1A）。从而，该团队一起在黑腹果蝇集体中判定出一个多仿制Pack-TIR宗族：Ssk-FB4（由FB4 转座子捕获基因Ssk所构成的新基因）。它们的基因结构和植物中Pack-MULE类似，中心为捕获的外源序列，两边为 TIR转座子序列（图1B）。

　　研讨团队发现Pack-TIR与TIR转座子数目成线A)，此外对灵长类谱系中Pack-TIR的来源时刻剖析发现，它们零星散布在各演化枝上（图2B）。换言之，这些Pack-TIR在各个时刻段皆有来源，哪怕宿主编码的转座子现已损失转座活性。因而可推断，大部分Pack-TIR的发生不依赖于转座活性（transposition-independent）。多方面依据阐明这些Pack-TIR的构成契合缺口添补（gap-filling）模型（图2C）：Pack-TIR 的丰度与它们到母源序列的间隔呈负相关，即TIR转座子倾向于捕获挨近序列；67.6%事情含有微同源序列（Pack-TIR与母源序列同享较短的类似序列）；灵长类物种间的比较剖析显现转座子和外源序列是先后刺进的两次独立事情。随后研讨人员发现果蝇中Ssk-FB4其构成进程与缺口添补模型不符，因而提出了仿制叉阻滞-模板跳转-转座（FoSTeST）这一新模型来解说多仿制Pack-TIR的发生（图2D）。该模型与缺口添补模型的不同之处在于，模板跳转后转座酶会立行将嵌合的Pack-TIR转座到基因组其它方位。研讨团队所采纳的战略及发现对植物中Pack-MULE的来源机制研讨将具有启示含义。

　　除机制方面的深入剖析，该研讨团队也结合很多转录组数据和进化基因组数据探究了Pack-TIRs的功用。一方面，团队发现Pack-TIR更倾向于捕获外显子序列，且大部分与地点基因发生交融，具有转录信号（图3A）。另一方面，Ssk-FB4是一个稀有的编码功用蛋白的比如，一切仿制不只显现出了很高的转录和翻译水平（图3B-C），且各仿制的非同义骤变在细胞膜外结构域明显富集，暗示其遭到正挑选（图3D）。不只如此，骤变机制所赋予的Ssk-FB4嵌合结构使其更简单发挥新功用，有或许添加了果蝇抵挡环境中致病微生物的才能（图3E-F）；转座带来的仿制数添加也使自然挑选有更多的效果目标，推动了适应性进化更快发生。

　　该研讨由中国科学院动物研讨所、法国居里研讨所、北京大学肿瘤医院等安排协作完结。动物所副研讨员谭生军、博士后马慧静、博士后王金铂及肿瘤医院博士后王曼为本研讨一起榜首作者，国科大博士生导师、动物所研讨员张勇和居里研讨所陈春龙研讨员为一起通讯作者。王梦霞、尹浩东、张雅琼、张心莹、沈洁宇、阳、Graham L. Banes、张治华、吴健民、黄勋、陈华、葛斯琴等协作者在文章写作、试验和核算剖析等方面供给了全力支持。该研讨得到了国家重点研制方案（2018YFC1406902, 2019YFA0802600）、国家自然科学基金（31701092, 31771410, 31970565, 91731302）、中国科学院青年立异促进会（2018112）等项目赞助。

　　图1. 动物中Pack-TIR散布及结构示意图。A）370个Pack-TIR在100个动物中散布状况。圆圈内数字表明对应物种的Pack-TIR数目。B）黑腹果蝇集体中Ssk-FB4的基因结构。蓝色片段为 Ssk的外显子，黑色和灰片段为 FB4序列。

　　图2. 动物中Pack-TIR构成的两种机制。A）各物种或各转座子超宗族中Pack-TIR与TIR转座子数目的线性关系。B）Pack-TIR在灵长类动物演化树上的散布，数字表明Pack-TIR出现在某一特定演化枝的个数，下方显现了转座子活泼与否的时刻，单位为百万年。C）缺口添补模型示意图。赤色片段及两边箭头表明为DNA转座子，蓝色片段为外源序列。该图显现转座子内部双链断裂，也或许是转座子的自主切开引发缺口。D）FoSTeST模型示意图。1.仿制叉阻滞在转座子处并发生双链断裂；2.转座子和母源序列空间挨近，导致修正时模板跳转发生嵌合片段；3.转座酶辨认嵌合片段，切开刺进到其它方位；4因为Ssk-FB4保存转座子的结尾反向重复序列（TIR），在转座酶的协助下添加其仿制数。

　　图3. Pack-TIRs的表达、挑选和相关剖析。A）人类中Pack-TIR捕获序列的类型散布状况。B）Ssk、Ssk-FB4、FB4在六个黑腹果蝇品系五个安排内的表达谱，表达值为log2(TPM值)。C）Ssk和Ssk-FB4蛋白水平的表达量。D）Ssk-FB4/Ssk蛋白非同义骤变堆集散布图。E）Ssk和Ssk-FB4蛋白与Mesh蛋白免疫共沉淀前后的蛋白定量数据。与母本基因Ssk不同，Ssk-FB4与Mesh互作水平较弱，暗示其具有新功用。F）黑腹果蝇DGRP品系在真菌Metarhizium anisopliae Ma549感染后的寿数半衰期值。