转座子在基因组进化和基因调控中的选配作用

       转座子在基因组中作为“跳跃基因”，对基因组的进化和调控发挥着重要作用。

一、转座子的发现

       上世纪50年代，美国遗传遗传学家芭芭拉·麦克林托克（Barbara McClintock），在对玉米色素基因的调控研究中，发现玉米籽粒的表面呈现出不同的色斑，是由于“跳跃基因”—转座子对基因调控导致的。

       当时学术界普遍认为基因组是静态的、固定的，与芭芭拉·麦克林托克提出的”跳跃基因”理论不符，所以在当时她提出的理论并没有引起足够的重视。直到越来越多的，在别的模式生物中也发现了这一现象，“跳跃基因“的理论才被普遍得到认可的。芭芭拉·麦克林托克也因为这一发现在1983年获得了诺贝尔医学或生理学奖。

二、转座子的定义

       真核生物基因组含有大量的重复DNA，一些重复序列是可移动的。转座子被定义为能够在基因组中从一个位置移动到另一个位置的DNA序列。

三、转座子的分类

       根据转座机制，可以分为DNA转座子—采用“复制-粘贴”的方式以及逆转录转座子—采用“剪切-粘贴”的方式在基因中进行移动，基因组中的转座子大多数为逆转录转座子（占基因组的44%）。

       逆转录转座子又根据是否有长末端重复序列，分为长末端重复逆转录转座子（LTR）以及非长末端重复逆转录转座子（non-LTR）;非长末端重复逆转录转座子又可分为长散在重复序列、短散在重复序列以及更具体的分类。

四、LINE1的靶向逆转录机制

       LINE1长约6kb，是目前人类基因组中仍然活跃的自主元件。LINE1属于逆转录转座子（占基因组的18%），由5‘UTR端RNA启动子响应区(与RNA聚合酶II结合的地方)、开放阅读框1 （ORF1，约1080kb，具有分子伴侣活性）、开放阅读框2（ORF2，具有逆转录酶活性和核酸内切酶活性）以及3‘UTR +poly (A)末端组成。

       让我们来看看LINE1是如何通过靶向逆转录，插入到新的基因组中吧：

       | 图A. 首先，LINE1在细胞核中转录成mRNA；

       | 图B. 其次，转录成的mRNA在细胞质中翻译成开放阅读框1蛋白（分子伴侣）和开放阅读框2蛋白（逆转录蛋白和核酸内切酶蛋白），并与LINE1的mRNA结合形成核糖核蛋白颗粒，穿梭到细胞核中，开始靶点-启动的逆转录过程；

       | 图C、D、E.ORF2的核酸内切酶识别目的序列AATTTT，在双链DNA的其中一条链上打开一个切口，然后通过ORF2的逆转录酶，利用切口处的3‘羟基作为引物，将目标序列逆转录（mRNA→cDNA）整合到宿主基因/目标基因中。

 案例分享：LINE1插入导致的Coffin Lowry 综合征

①RPS6KA3基因位于染色体Xp22.2，其致病性变异可以导致X连锁显性遗传的Coffin Lowry 综合征（Coffin Lowry syndrome, CLS），CLS以骨骼畸形、生长迟缓、听力缺陷、阵发性运动障碍和认知障碍为特征。患者是一对非近亲夫妻生育的第二个孩子，被诊断为CLS（上图A）；

②Southern blot实验发现患者RPS6KA3基因4号外显子为8.5kb EcoRI条带，受检者亲属则为正常6.5kb条带（上图A），表明患者RPS6KA3基因4号外显子存在新发的重排（de novo）;

③患者长片段测序显示，在RPS6KA3基因3号内含子插入一段不完整的LINE1序列，该序列为较复杂的LINE1重排片段（上图B），插入位置由图C所示；

④受检者RT-PCR实验表明（下图所示），相比于正常个体（下右），由于患者RPS6KA3基因3号内含子插入一段LINE1序列，影响剪接，造成4号外显子跳跃，在5号外显子过早形成终止密码子，导致蛋白截断（图左）。

       除了转座子插入对基因造成的结构破坏之外，转座子对染色体的缺失、重复等结构变异、生物进化、胚胎发育等方面均有重要作用，更多的机制也有待研究......