Regulatory activities of transposable elements: from conflicts to benefits
摘要：
轉(zhuǎn)座子（TEs）是受到嚴(yán)格調(diào)節(jié)的，具有生物化學(xué)活性的非編碼元件，如轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點和非編碼rna的豐富來源。 最近的許多研究重新證明，這些元素普遍參與了宿主基因的調(diào)控。 我們認(rèn)為，TEs的固有遺傳特性及其與宿主的相互沖突的關(guān)系促進(jìn)了其在不同基因組中調(diào)節(jié)功能的補(bǔ)充。 我們回顧了最近的發(fā)現(xiàn)，這些發(fā)現(xiàn)支持了長期存在的假說，即生物體承受的TE入侵浪潮已經(jīng)催化了基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)化。 我們還討論了剖析和解釋TEs在健康和疾病中編碼的調(diào)節(jié)活性的表型效應(yīng)的挑戰(zhàn)。
背景
- 轉(zhuǎn)座子可以傳播預(yù)先構(gòu)建的調(diào)控元件，從而調(diào)控基因組的網(wǎng)絡(luò)
- 轉(zhuǎn)座子在基因組中的因轉(zhuǎn)座子的大量復(fù)制和對宿主基因組水平上發(fā)揮作用，器有害有利
- 大部分轉(zhuǎn)座子參與了廣泛的調(diào)控過程和分子相互作用
- 總結(jié)：
1.TEs是全基因組范圍內(nèi)調(diào)控元件的來源在實驗上捕獲TEs調(diào)節(jié)活性的能力方面的最新進(jìn)展，主要側(cè)重于它們作為順式調(diào)節(jié)對DNA的影響
2.這些調(diào)控活動中的大多數(shù)都可以解釋為TE用來在基因組和宿主群體中傳播的策略的遺物
3.TE不會對生物基因組產(chǎn)生廣泛的適應(yīng)性，只會偶爾對其基因組產(chǎn)生長期的影響
4.TE在發(fā)展和對生物基因組進(jìn)行調(diào)控的權(quán)衡
5.TE衍生功能的失衡控制如何導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄失調(diào)，從而促進(jìn)疾病的發(fā)展。
是什么使TEs具有順式調(diào)節(jié)活性
自主TE編碼的基因可獨立于宿主染色體而進(jìn)行復(fù)制。但是他們依賴宿主的基因機(jī)制去表達(dá)他們的基因。
TE具有順式作用調(diào)控元件，類似于啟動子
eg： 1.LTRs:（例如內(nèi)源逆轉(zhuǎn)錄病毒（ERV）的末端重復(fù)元件中，順式調(diào)控序列和RNA聚合酶II（Pol II）啟動子一式兩份地存在于兩個LTR中，每個LTR均位于元件編碼序列的兩側(cè)**。
2.LINEs: 一類通過靶標(biāo)引發(fā)的逆轉(zhuǎn)錄進(jìn)行逆轉(zhuǎn)座的非長末端重復(fù)反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子。具有位于其5'非翻譯區(qū)（UTR）中的內(nèi)部Pol II啟動子以及一個反義啟動子。
3.SINE，由LINE復(fù)制機(jī)制復(fù)制的一類非自主反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子。源自Pol III轉(zhuǎn)錄的細(xì)胞基因（例如，轉(zhuǎn)移RNA（tRNA）或7SL RNA）。完整的全長SINE副本包含能夠募集Pol III8的內(nèi)部序列基序（A和B框）。TE的豐度，形式和復(fù)制機(jī)制的多樣性極大地影響了啟動子的命運以及它們攜帶的順式調(diào)控元件。
TE的豐度，形式和復(fù)制機(jī)制的多樣性極大地影響了啟動子的命運以及它們攜帶的順式調(diào)控元件。 例如，LTR元件復(fù)制的機(jī)制要求每個新的插入將在宿主基因組中引入LTR的兩個精確拷貝。 然而，在插入之后，這些元件經(jīng)常在其LTR之間經(jīng)歷異位重組。 這些事件導(dǎo)致這些元素的編碼區(qū)的去除，但留下完整的孤立LTR，這些LTR包含原始的順式調(diào)控序列。 ERV占人類基因組的8％左右，但90％作為單獨的LTRs10存在。 相比之下，LINEs占了人類基因組的一大部分（約20％），但是絕大多數(shù)插入后會被5'截短，從而刪除了它們的啟動子序列10。 同樣，通常通過剪切和粘貼機(jī)制轉(zhuǎn)座的DNA轉(zhuǎn)座子大多以微型反向重復(fù)TE（MITE）的形式繁殖，這些反向TE由自主元件的內(nèi)部缺失衍生物產(chǎn)生[11]。 可以預(yù)見，許多MITE缺乏其親本元件的啟動子序列。 總之，并非所有TE插入物在保留其原始啟動子和順式調(diào)控元件的能力上都是“創(chuàng)造的”相等（圖1a）。
至于典型的宿主基因啟動子，TE啟動子通常表現(xiàn)出在空間或時間上調(diào)節(jié)的活性，該活性取決于細(xì)胞類型或?qū)Νh(huán)境信號（如壓力或感染）的響應(yīng)[12,13]。 盡管很少有TE啟動子得到廣泛表征，但眾所周知，一系列TE具有通過順式調(diào)控序列簇建立的調(diào)控表達(dá)模式。 就像規(guī)范啟動子和增強(qiáng)子一樣，這些序列可以募集和“整合”宿主編碼轉(zhuǎn)錄因子的特定組合8,14–21。
哪些進(jìn)化力塑造了TE啟動子的調(diào)控特性？ 為了使新的TE插入通過垂直繼承得以持續(xù)，轉(zhuǎn)座事件必須發(fā)生在種系中或種系發(fā)育之前，這導(dǎo)致對TE在種系中具有轉(zhuǎn)錄活性的強(qiáng)烈選擇。 實際上，在植物22和動物23中，許多TE的表達(dá)似乎都限于配子發(fā)生或胚胎早期發(fā)育的各個階段（方框1）。 矛盾的是，一些TEs在一系列生物體25-25中的體細(xì)胞組織中也具有嚴(yán)格調(diào)節(jié)的活性。
考慮到體細(xì)胞轉(zhuǎn)座事件不是跨代遺傳的，因此這些組織中的活性不會立即對TE產(chǎn)生任何明顯的益處或后果。 試圖推測體細(xì)胞TE活性的調(diào)節(jié)可能反映了宿主與TE之間的共生關(guān)系。 另一個但非唯一的解釋是，這些體細(xì)胞調(diào)節(jié)活動以前是通過在TE上進(jìn)行選擇來塑造的。 例如，所有ERV都源自感染性逆轉(zhuǎn)錄病毒，這些逆轉(zhuǎn)錄病毒必須感染了生殖細(xì)胞（或其祖細(xì)胞），而且可能還感染了來自各種組織的體細(xì)胞。 因此，ERV過去的病毒生活方式可以解釋為什么它們的LTR包含復(fù)雜的調(diào)控元件，這些調(diào)控元件能夠驅(qū)動多種組織和細(xì)胞類型的轉(zhuǎn)錄。 無論驅(qū)動體細(xì)胞活動的進(jìn)化力如何，很明顯，TEs都可能影響種系和早期胚胎發(fā)育以外的宿主基因調(diào)控。TE在基因中的非隨機(jī)整合
隨著TE進(jìn)化出基本上模仿宿主順式調(diào)控元件的調(diào)控序列，自然可以得出這樣的結(jié)論：落入宿主基因附近的TE插入物很可能會干擾其表達(dá)。 因此，TE最初插入基因組的位置通常會表明其在種群中的命運。因此，許多TE似乎已經(jīng)進(jìn)化出了促進(jìn)整合到基因組區(qū)域的機(jī)制，從而最大化了其傳播機(jī)會。例如，一些TE家族已經(jīng)進(jìn)化出復(fù)雜的分子機(jī)制來靶向基因組“避風(fēng)港”，例如基因不足或異源區(qū)域，而其他TE家族則傾向于整合在開放的，具有轉(zhuǎn)錄活性的染色質(zhì)區(qū)域內(nèi)。 例如，玉米27中的誘變元件，水稻28中的mPing MITE，裂變酵母29中的Tf1逆轉(zhuǎn)錄元素和黑腹果蠅30中的P元素都積極地靶向基因的5'區(qū)域。 一些逆轉(zhuǎn)錄病毒，包括HIV-1，優(yōu)先整合到基因組高度轉(zhuǎn)錄的區(qū)域內(nèi)31。 據(jù)推測，這種傳播方式可確保新整合的元素駐留在有利于表達(dá)和傳播的環(huán)境中。 此類元件可能具有更強(qiáng)的調(diào)控鄰近基因表達(dá)的傾向，并且如果自然選擇可以容忍，則可能更傾向于順式調(diào)控共存-可能在插入后立即出現(xiàn)28。 最后，重要的是要注意，隨著TE傳播后時間的流逝，諸如選擇和遺傳漂移之類的作用力可能會掩蓋最初的整合偏好。TEs是調(diào)節(jié)活動的豐富來源。TEs廣泛分布的順式調(diào)節(jié)元件對基因組調(diào)節(jié)和細(xì)胞功能有什么影響？ 為了應(yīng)對TEs在其基因組中的寄生負(fù)擔(dān)，真核生物似乎已經(jīng)進(jìn)化出阻止TE轉(zhuǎn)錄的多層機(jī)制[22,32,33]。因此，一般認(rèn)為大多數(shù)TE細(xì)胞來源的DNA在大多數(shù)細(xì)胞中都是沉默的，并且在化學(xué)上是惰性的。 然而，在過去的幾十年中，不同種類的物種都記錄了由TE啟動子驅(qū)動的宿主基因的實例14、21、34-36。 這些情況是否僅代表個別TE逃脫了宿主沉默的罕見事件，還是暗示了普遍的監(jiān)管活動。
大量文獻(xiàn)顯示了多種機(jī)制，通過這些機(jī)制，TE可以改變順式，反式，轉(zhuǎn)錄或轉(zhuǎn)錄后轉(zhuǎn)錄宿主基因的表達(dá)[14,37]（圖1b）。 盡管這些機(jī)制中的大多數(shù)最初是通過從頭進(jìn)行TE插入引起的誘變的遺傳分析發(fā)現(xiàn)的，但是基因組研究表明，這些活性貫穿整個基因組，并且通常源自長期固定在宿主群體中的TE。 特別是，全基因組檢測，例如那些定位轉(zhuǎn)錄活性，開放染色質(zhì)或轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合的檢測，提供了令人信服的證據(jù)，證明許多TE衍生序列具有活性調(diào)控元件的生化特征。 總之，這些研究表明，TE不像通常假設(shè)的那樣健壯或系統(tǒng)地靜音。
值得注意的是，轉(zhuǎn)錄組分析已發(fā)現(xiàn)TEs是組織特異性和/或替代性啟動子的豐富來源。 兩種主要方法已允許在全基因組范圍內(nèi)繪制TE衍生的啟動子。 首先，對全長cDNA進(jìn)行深度測序（一種RNA測序（RNA seq）形式）表明，在TE衍生啟動子內(nèi)起始的嵌合轉(zhuǎn)錄物構(gòu)成了哺乳動物轉(zhuǎn)錄組的相當(dāng)一部分，特別是在早期發(fā)育階段38（框1），但在許多其他哺乳動物組織中39。其次，通過對轉(zhuǎn)錄起始位點進(jìn)行定位的方法，例如基因表達(dá)的帽分析，然后進(jìn)行測序（CAGEseq），揭示了人類和小鼠細(xì)胞類型和組織中TE內(nèi)驚人數(shù)量的Pol II起始12（例如，高達(dá)30％ 人類胚胎中定位的所有轉(zhuǎn)錄起始位點細(xì)胞）以及黑腹果蠅的胚胎發(fā)育40。 越來越多的證據(jù)表明，TEs是植物中啟動子活性的重要來源36。 因此，TEs似乎在許多物種中分散了許多受發(fā)育調(diào)節(jié)的啟動子，這些啟動子通常保持活躍并以組織或階段特異性方式驅(qū)動相鄰DNA的轉(zhuǎn)錄。
越來越多的證據(jù)表明，TE提供了大量其他類型的順式調(diào)節(jié)元件，包括增強(qiáng)劑，絕緣子和阻抑元件。 在哺乳動物中，染色質(zhì)免疫沉淀后再進(jìn)行測序（ChIPseq）研究表明，對于任何給定的轉(zhuǎn)錄因子和所檢查的細(xì)胞類型，TEs在基因組中占結(jié)合位點的很大一部分（5-40％；平均?20％）15,19 。 LTR元素比其他TE類型的貢獻(xiàn)更大[14,21,41]，這可能是因為LTR更可能擁有并保留其祖先的順式調(diào)節(jié)活性，如上所述（圖1a）。 重要的是，對于給定的轉(zhuǎn)錄因子，大多數(shù)TE衍生的結(jié)合位點是由相當(dāng)少量的特定TE家族貢獻(xiàn)的，這些家族相對于基于這些TE家族在密度上的密度所期望的轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合事件高度富集。 基因組17、19、42、43。 在大多數(shù)情況下，已經(jīng)檢查了結(jié)合位點的起源和序列，可以推斷出典型的結(jié)合基序預(yù)先存在于祖先TE序列中，隨后通過轉(zhuǎn)座而分散在基因組中，這種情況與“復(fù)制粘貼”相符。 轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點分散模型14。
有趣的是，TE衍生的轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點傾向于是譜系特異性的。 例如，在分析兩個可比較的人類和小鼠細(xì)胞系中26對直向同源轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合事件時，在每個物種中鑒定出的> 130,000 TE-峰中，> 98％是物種特異性的19。 這一結(jié)果可以部分地由以下事實解釋：大多數(shù)結(jié)合事件發(fā)生在TEs中，而TEs在兩種被檢種分裂后已經(jīng)擴(kuò)增。 即靈長類或嚙齒動物特異的TE家族。 另一個因素是，更古老的TE積累了更多的中性取代，導(dǎo)致其祖先轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點的降解。 這些祖先TE序列在物種間的差異衰減也可能導(dǎo)致物種特異的轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合事件。 無論如何，這些數(shù)據(jù)表明轉(zhuǎn)座代表了哺乳動物進(jìn)化過程中獲得新的轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點的共同機(jī)制。
TE也已被證明可以用作絕緣體和/或邊界元素。 此類序列的功能通常是通過阻止異染色質(zhì)44的擴(kuò)散，將基因組劃分為大小為100 kb至1 Mb的有效或無效轉(zhuǎn)錄域。 幾項研究表明，許多TE，尤其是SINE，都具有與CTCF或TFIIIC（也稱為GTF3C1）等因子的結(jié)合位點，這些因子賦予絕緣子活性并組織了核結(jié)構(gòu)45-47。 這些TE的一個子集似乎可以通過充當(dāng)“錨”來分離基因組的轉(zhuǎn)錄，從而在基因組的三維組織中發(fā)揮作用。 確實，使用染色質(zhì)相互作用圖譜研究全基因組范圍內(nèi)這些拓?fù)浠A(chǔ)的染色體內(nèi)或染色體間相互作用的研究發(fā)現(xiàn)，SINE在這些域的邊界處富集48-50。 通過為建筑因素提供豐富的結(jié)合位點來源，TEs可能是高級基因組組織的重要貢獻(xiàn)者，后者控制著包含許多基因的大染色體區(qū)域的轉(zhuǎn)錄調(diào)控。
除了提供順式調(diào)控DNA元件外，TEs還被證明可貢獻(xiàn)大量非編碼調(diào)控RNA轉(zhuǎn)錄本，例如microRNA（mi RNA）和長非編碼RNA（lncRNAs），它們可調(diào)節(jié)反式順式中的基因表達(dá)（BOX 2 最后，雖然我們主要將本綜述的重點放在TE序列內(nèi)編碼的調(diào)節(jié)活性上，但TEs還可以通過許多其他作用（包括其染色體整合的破壞作用）改變基因表達(dá)。 一個有趣的例子是在黑腹果蠅中基因CG11699的3′UTR內(nèi)自適應(yīng)插入POGON1 DNA轉(zhuǎn)座子。 插入會破壞基因的“正常”（祖?zhèn)鳎┚巯佘账峄盘?，?dǎo)致較短的3?UTR，升高的mRNA水平和增強(qiáng)的對異源生物脅迫的抵抗力51。 由于被宿主沉默途徑靶向，TEs也可能對基因組調(diào)控產(chǎn)生廣泛的影響32（圖1b）。 特別是，在TE序列處成核的抑制性染色質(zhì)可能會“擴(kuò)散”到相鄰區(qū)域并沉默附近基因的表達(dá)，這種現(xiàn)象已在包括植物52和哺乳動物53在內(nèi)的多種生物中觀察到。
TE調(diào)節(jié)活性的生物學(xué)效應(yīng)以上概述的工作堅定地認(rèn)為TEs是宿主細(xì)胞中生化調(diào)節(jié)活性的豐富來源。 這些觀察提出了一個問題，即這種現(xiàn)象是否對物種的生物學(xué)和表型演變產(chǎn)生了重大影響。 盡管將源自TEs的嚴(yán)格控制的調(diào)節(jié)活性解釋為在生理或發(fā)育中的廣泛作用的指示可能很誘人，但僅此活性的生化表現(xiàn)并不意味著它對于適當(dāng)?shù)幕蚪M功能至關(guān)重要54,55（圖1c ）。
圖1TE調(diào)控活動的起源及其如何影響宿主基因。a| 主要轉(zhuǎn)座因子（TE）類及其典型遺傳組織的示意圖。 左面板描繪了每種TE類型的通用全長版本。 大多數(shù)TE都具有起到促進(jìn)自身轉(zhuǎn)錄和調(diào)控作用的調(diào)控序列，例如RNA聚合酶II（Pol II）或Pol III的啟動子以及聚腺苷酸化信號（PAS）。 右圖顯示了每種TE類型的結(jié)構(gòu)，因為它們最常出現(xiàn)在基因組中，具體取決于TE（請參閱正文）。
b|圖描述了TEs所產(chǎn)生的不同類型的調(diào)節(jié)活動。這些包括順式調(diào)節(jié)性DNA和RNA元件介導(dǎo)的效應(yīng)（右圖），以及TE產(chǎn)生的非編碼RNA和蛋白質(zhì)介導(dǎo)的反式效應(yīng)（左圖）。c | 確定宿主功能是否已被TE所影響時要考慮的證據(jù)層次。 根據(jù)全基因組測定，許多TE具有調(diào)節(jié)活性的生化標(biāo)志。 但是，還需要其他證據(jù)來確定這些TE中的哪些會改變宿主基因的調(diào)控并影響生物表型和適應(yīng)性。 ERV，內(nèi)源性逆轉(zhuǎn)錄病毒； 線，長散布的核元素； lncRNA，長非編碼RNA； LTR，長終端重復(fù)； MITE，微型反向重復(fù)轉(zhuǎn)座元件； SINE，短散布的核元素； sRNA，小RNA； TIR，終端反向重復(fù)； TPase，轉(zhuǎn)座酶。
