本文来自微信公众号：学术经纬 （ID：Global_Academia），作者：药明康德内容团队，原文标题：《改写教科书！张钊团队最新《自然》，揭开神秘环状DNA的形成之谜》，头图来自：pixabay


1951年，在冷泉港实验室的一场会议上，遗传学家Barbara McClintock介绍了一套与当时主流认知相违背的理论，她发现基因组中存在一些可以在染色体上移动的基因序列，也被称作转座子。它们能从基因的一个地方“跳跃”到另一个地方，从而重新书写基因组的序列。


当时场下一片沉寂，大家无法理解也几乎鲜有人接受这个所谓移动元件的存在。


随着时间推移，越来越多的科学家发现McClintock提出的转座子不仅真的存在，还广泛存在于生物体内，发挥着特殊的生物学作用。1983年，McClintock因为在“可移动遗传序列”上的发现，独享当年的诺贝尔生理学或医学奖。


数十年来，转座子领域的研究者发现了多种类型的转座子，其中有一大类被称作“逆转录转座子”（retrotransposon）。它们大约为7000个碱基单位长，散落在基因组中不同的区域，同时也能以环状双链DNA的形式存在。教科书认为这些环状的逆转录转座子只是基因复制的无用副产物。


▲逆转录转座子会在体内形成环状，并像病毒一样复制（图片来源：杨斧博士，张钊实验室）


但故事可能并没有这么简单，毕竟人类基因组中有近40%都是逆转录转座子，如果是副产物占比未免也太大了。根据一些研究，逆转录转座子通常会用一种“复制和粘贴”的方式来插入并重新连接基因，从而调节基因的表达。其既会参与癌症发展、衰老等负面过程，也能帮助抵御病毒。


但这种神奇的环状DNA的形成仍然是一个谜。在最新一期《自然》杂志上，杜克大学张钊研究团队揭开了逆转录转座子的复制机制，他们确认这种环状DNA并非过去认为的副产物，而是主动借助DNA修复机制实现闭环，最后形成了配对的双链结构。



张钊研究团队此前在果蝇的卵发生中建立了可以激活逆转录转座子的平台，逆转录转座子很少在生殖干细胞中活跃跳动，但当干细胞分化成卵母细胞和支持的抚育细胞后，形势变得不一样了。逆转录转座子会在抚育细胞中大量表达，并形成“类病毒颗粒”，就好像逆转录病毒一样。


在这项最新研究中，张钊研究组发现大多数新产生的逆转录转座子并不整合到基因组中，而是以环状形式存在。在复制过程中，逆转录转座子会以mRNA作为模板，然后用自身编码的逆转录酶复制出一条链，但环状双链的形成显然靠它们自己无法完成。


为此，研究者试图在基因修复机制中找到突破口，他们尝试阻止了多个DNA修复机制，并看哪一个缺失时会影响环状DNA的形成。结果发现，很少受到关注的替代末端连接修复机制（alternative end-joining DNA repair， alt-EJ）在其中发挥了关键作用。


▲缺乏alt-EJ机制，环状DNA形成会受损（图片来源：参考资料[2]）


这种修复机制可以使逆转录转座子DNA链的末端进行缝合，并且alt-EJ会驱动第二条链的长末端重复片段合成，并引导第二条环状链，从而实现双链环状DNA的形成。过去，大家推测逆转录转座子的一条链通过DNA整合形成，另一条链以此为基础进行同源基因重组，新研究证明了这种推测并不准确。


根据研究团队的纳米孔测序结果，10%的逆转录转座子会实现新的DNA插入，剩下的90%会以染色体外环状DNA（eccDNA）的形式存在。论文指出，这些环状DNA并非无用的副产物，它们可能促使mRNA启动新一轮的复制，也可能插入到基因组重塑基因信息。此外，环状DNA还能成为诱导先天免疫的重要分子，因此介导其潜在的免疫调节作用。


张钊教授点评道：“基因组在体内并非像传统观点认为的一成不变，而是一个高度动态的过程。例如，癌症的发生就是癌细胞在机体内长期不停地重新书写其基因组的结果。我们的发现揭示了转座子书写基因组的机制，并阐明环状DNA在此过程中的作用。这项研究为了解基因组的进化提供了新的视角，并对治疗相关疾病提供了新的靶点、指明了方向。”


在此项研究中，杨斧博士和苏维佳博士为主要完成人和并列第一作者。同时此研究还得到了张钊组的Oliver W. Chung、Lauren Tracy，以及中国科学院分子细胞科学卓越创新中心王露博士，北卡罗来纳大学教堂山分校Dale A. Ramsden博士的大力支持。


参考资料：

[1] DNA element with a murky past is borrowing cell’s repair machinery. Retrieved July 12， 2023 from https://www.eurekalert.org/news-releases/995090

[2] Retrotransposons hijack alt-EJ for DNA replication and eccDNA biogenesis. Nature (2023). DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-023-06327-7


本文来自微信公众号：学术经纬 （ID：Global_Academia），作者：药明康德内容团队