Dev Cell丨張釗組揭示生殖幹細胞在馴化入侵轉座子過程中的新作用

責編丨迦漵

圖片引自：https://www.slideshare.net

跳躍基因（又被稱爲“轉座子”）在幾乎所有物種的基因組裏都具有極高的丰度，它們在人類基因組中高達～50%。儘管其丰度極高，長期以來跳躍基因被認爲是基因組裏的“垃圾序列“，未受到科學家的重視。有趣的是，轉座子可以在不同物種或個體之間的跳躍，實現遺傳物質的互換【1】。但這種轉座子的侵襲往往導致DNA損傷和突變，最終使被入侵的生物絕育甚至死亡，威脅物種的存亡【2, 3】。同時，轉座子在現存物種中的高丰度也暗示着我們具有很強的能力來馴化新入侵的轉座子。正是這種強烈的適應能力使我們從百萬次，甚至千萬次的轉座子入侵中存活下來。這種適應能力的生物學機理是什麼呢？

美國卡耐基研究所胚胎系張釗組（ZZ-Lab）專注於轉座子的研究，前不久該課題組在Cell上發表文章，發現了轉座子能夠高效的利用生物機體的發育過程來實現大量的細胞選擇性的擴增的機制（Cell丨張釗組揭祕跳躍基因在卵子發生過程中的完美逆襲以及piRNA調控的必要性——俞洋、張冬雷點評）。近期，其課題組在Developmental Cell上發表了題爲A robust transposon-endogenizing response from germline stem cells的最新研究成果。該研究揭示了生殖幹細胞在馴化入侵轉座子過程中的新作用，併爲我們理解轉座子馴化過程提供了細胞和分子生物學基礎。

上世紀70年代的研究表明，不同的溫度環境能夠直接影響模式動物（果蠅）在面對P-element（一種DNA轉座子）入侵時可育性【4】。受此啓發，研究者們檢測了P-element在不同溫度下的跳躍活性，並以此建立了用溫度來作爲調控轉座子活性的工具。以此爲突破點，他們設計了巧妙的溫度轉換實驗來研究成體動物應對轉座子入侵的機制。他們發現，猛烈的轉座子入侵能夠快速的導致成體雌性果蠅不育。但同時被入侵動物也顯示了驚人的適應能力：只需要5天便可沉默P-element並重獲可育性。

以此爲系統，張釗組進一步在細胞和分子水平上揭示了動物體馴化入侵轉座子的機制。他們的研究表明，在面對猛烈的轉座子入侵時，生殖幹細胞通過激活Chk-2介導的DNA損傷檢驗點來阻止幹細胞的進一步分化。Chk-2檢驗點的激活能夠保證DNA損傷的修復，同時促進piRNA（一類生殖系統裏抑制轉座子的小RNA）的大量擴增。突變Chk-2的動物體喪失了重獲可育性和抑制入侵轉座子的能力。

綜上所述，該文章首先建立了通過溫度轉換來研究轉座子馴化過程的系統。以此爲基礎，研究者們揭示了生殖幹細胞的一項新的功能：馴化入侵轉座子。另外，該研究表明進化上高度保守的DNA損傷檢驗點在馴化入侵轉座子時起到了至關重要的作用。

參考文獻

1. E. B. Chuong, N. C.Elde, C. Feschotte, Regulatory activities of transposable elements: from conflicts to benefits. Nature reviews. Genetics 18, 71-86 (2017).

2. R. E. Tarlinton, J. Meers, P. R. Young, Retroviral invasion of the koala genome. Nature 442, 79-81 (2006).

3. H. H. Kazazian, Jr., J. V. Moran, Mobile DNA in Health and Disease. The New England journal of medicine 377, 361-370 (2017).

4. M. G. Kidwell, J. B. Novy, Hybrid Dysgenesis in DROSOPHILA MELANOGASTER: Sterility Resulting from Gonadal Dysgenesis in the P-M System. Genetics 92, 1127-1140 (1979).