Nature Communications：研究揭示动物中DNA转座子通过两种机制介导基因重复
来源：动物研究所 2021-07-14 20:54
转座子被认为是宿主基因组演化的重要推动力。其类型众多，包含non-LTR（Long Terminal Repeat）型逆转座子、LTR型逆转座子、Helitron型DNA转座子、TIR（Terminal Inverted Repeat）型DNA转座子等，可引起包含基因重复（gene duplication）在内的各种遗传突变。已有研究表明，non-LTR型逆
转座子被认为是宿主基因组演化的重要推动力。其类型众多，包含non-LTR（Long Terminal Repeat）型逆转座子、LTR型逆转座子、Helitron型DNA转座子、TIR（Terminal Inverted Repeat）型DNA转座子等，可引起包含基因重复（gene duplication）在内的各种遗传突变。已有研究表明，non-LTR型逆转座子在人类基因组中介导基因重复，产生大量新基因。2016年，中国科学院院动物研究所研究员张勇研究组研究发现，动物中LTR可借由模板跳转介导基因重复；Helitron在蝙蝠中通过通读（transduction）的形式介导基因重复。迄今，TIR型转座子介导基因重复的能力只在植物中被揭示，其中水稻中的MULE元件捕获大量宿主基因，形成Pack-MULE的嵌合结构。但TIR型转座子介导基因重复形成的机制仍不清楚，动物中此类基因重复也鲜有报道。
7月13日，张勇研究组等在Nature Communications上，在线发表了题为DNA transposons mediate duplications via transposition-independent and -dependent mechanisms in metazoans的研究论文。该研究首次大规模搜索了100个动物基因组，鉴定了TIR转座子介导的基因重复，并将其命名为Pack-TIR。研究发现，大部分基因重复的产生不依赖转座活性，符合缺口填补（gap-filling）模型；在黑腹果蝇群体基因组数据中找到的最年轻的多拷贝基因Ssk-FB4则符合新提出的模板跳转及转座（FoSTeST）模型。蛋白质组、自然选择压力分析及表型关联分析显示Ssk-FB4s编码功能蛋白。上述结果证明TIR转座子可以重塑基因结构，产生新基因。
研究中，科研人员收集了公共数据库UCSC中100个后生动物的基因组，计算分析鉴定出370个Pack-TIR元件（图1A）。进而，同时在黑腹果蝇群体中鉴定出一个多拷贝Pack-TIR家族：Ssk-FB4（由FB4 转座子捕获基因Ssk所形成的新基因）。其基因结构和植物中Pack-MULE相似，中间为捕获的外源序列，两侧为TIR转座子序列（图1B）。
研究发现，Pack-TIR与TIR转座子数目成线性正相关（图2A)。对灵长类谱系中Pack-TIR的起源时间分析发现，其零散分布在各演化枝上（图2B）。这些Pack-TIR在各个时间段皆有起源，即使宿主编码的转座子已丧失转座活性。由此推断，大部分Pack-TIR的产生不依赖于转座活性（transposition-independent）。多方面证据表明，Pack-TIR的形成符合缺口填补（gap-filling）模型（图2C）：Pack-TIR的丰度与其到母源序列的距离呈负相关，即TIR转座子倾向于捕获临近序列；67.6%事件含有微同源序列（Pack-TIR与母源序列共享较短的相似序列）；灵长类物种间的比较分析显示，转座子和外源序列是先后插入的两次独立事件。随后，研究人员发现果蝇中Ssk-FB4其形成过程与缺口填补模型不符，因此提出复制叉停滞-模板跳转-转座（FoSTeST）这一新模型来解释多拷贝Pack-TIR的产生（图2D）。该模型与缺口填补模型不同，模板跳转后转座酶会立即将嵌合的Pack-TIR转座到基因组其它位置，科研人员的策略及发现对植物中Pack-MULE的起源机制研究将具有启发意义。
除机制方面的分析，科研人员还结合转录组数据和进化基因组数据探索Pack-TIRs的功能。研究发现，Pack-TIR倾向于捕获外显子序列，且大部分与所在基因发生融合，具有转录信号（图3A）。Ssk-FB4是罕见的编码功能蛋白的例子，所有拷贝不仅显示出较高的转录和翻译水平（图3B-C），且各拷贝的非同义突变在细胞膜外结构域显着富集，暗示其受到正选择（图3D）。此外，突变机制所赋予的Ssk-FB4嵌合结构使其更容易发挥新功能，可能增加果蝇抵御环境中致病微生物的能力（图3E-F）；转座带来的拷贝数增加使自然选择有更多的作用对象，推动了适应性进化更快发生。(生物谷Bioon.com）
版权声明 本网站所有注明“来源：生物谷”或“来源：bioon”的文字、图片和音视频资料，版权均属于生物谷网站所有。非经授权，任何媒体、网站或个人不得转载，否则将追究法律责任。取得书面授权转载时，须注明“来源：生物谷”。其它来源的文章系转载文章，本网所有转载文章系出于传递更多信息之目的，转载内容不代表本站立场。不希望被转载的媒体或个人可与我们联系，我们将立即进行删除处理。
87%用户都在用生物谷APP 随时阅读、评论、分享交流 请扫描二维码下载->
