Cell：首次利用cryo-ET揭示揭示逆转录转座子copia的三维结构

一场军备竞赛正在我们的细胞中展开：转座子，也称为跳跃基因或可移动的遗传因子，可以复制并重新插入基因组，通过触发DNA重排和引起突变来威胁细胞的基因组完整性，反过来，宿主细胞利用阻止转座子跳跃的复杂防御机制来保护其基因组。

如今，来自马克斯-普朗克生物化学研究所、马克斯-普朗克生物物理学研究所和奥地利科学院分子生物技术研究所的研究人员通过改进低温电子断层扫描（cryo-ET）技术，首次以亚纳米分辨率对黑腹果蝇卵室中的逆转录转座子copia进行了成像。相关研究结果发表在《细胞》杂志上。

cryo-ET是一种成像技术，用于以分子分辨率三维可视化细胞景观。在cryo-ET中，从样品的不同角度捕获一系列2D图像，然后将其组合形成详细的3D重建图。cryo-ET使研究人员对细胞的超微结构有了前所未有的了解。

然而，到目前为止，cryo-ET主要用于对单细胞生物进行成像，因为用于cryo-ET的样本必须在一个称为“玻璃化”的过程中快速冷冻，以防止冰晶形成。需要高压冷冻进行玻璃化的多细胞组织通常太厚，无法使用标准方法进行cryo-ET成像。

类似逆转录病毒衣壳

在这项新的研究中，研究人员采用了cryo-lift-out技术，该技术允许通过在低温下结合聚焦离子束和先进的微操纵技术，为cryo-ET制备复杂组织。他们利用黑腹果蝇的卵室和从中分离出的细胞，在7.7Å的分辨率下解析逆转录转座子copia衣壳的结构，这是在天然细胞环境中解析出的第一个亚纳米分辨率的逆转录转座子结构。

利用基于人工智能的结构预测的最新进展，该团队使用AlphaFold 2生成了衣壳组装的综合模型，使他们能够随后设计结构引导实验。通过这一点，他们能够证明copia逆转录转座子采用了与HIV-1成熟衣壳相似的衣壳折叠，证实了之前对纯化样品中转座子结构的观察。

逆转录病毒生命周期的见解

Klumpe及其同事们还提供了完整卵室中copia复制周期的快照。与逆转录病毒类似，逆转录转座子是从基因组转录而来的，所形成的转录物被输出并在细胞质中翻译，病毒样颗粒在细胞质中形成。最后，它们的RNA基因组被逆转录。然而，逆转录转座子研究中的一个主要问题围绕着逆转录转座子如何回到细胞核的问题，在细胞核中，一个新的逆转录转座子拷贝整合到宿主基因组中。

通过观察细胞内的copia衣壳，研究人员发现细胞质中的病毒样颗粒位于连接细胞质和细胞核的核孔范围内。与进化上相关的HIV-1类似，copia可能通过穿过核孔以完整颗粒的形式进入细胞核。核孔复合物似乎起到了分子筛的作用：只有一定大小的病毒颗粒才能进入细胞核。此外，基因操纵干扰了通过核孔的主动运输，导致copia 颗粒保留在细胞质中。

尽管在果蝇基因组中发现了许多逆转录转座子，但copia是迄今为止表达最频繁的逆转录转座子。之前的研究已表明，copia主要针对雄性生殖系。在这项新的研究中，研究人员还探讨了果蝇的转座子抑制系统，即PIWI piRNA通路，是如何使copia沉默的。

在果蝇的睾丸中，靶向copia 的反义piRNA非常丰富。通过观察piRNA通路不活跃、转座子自由表达的果蝇，研究人员发现雌性果蝇中的copia似乎处于死胡同，即大量的不会成为卵母细胞遗传物质的生殖系细胞核注定会经历程序性细胞死亡。

然而，在雄性果蝇中，copia 逆转录转座子在精子发生过程中从细胞质移动到配子核，这表明细胞核进入可能是其复制周期的重要组成部分。

Klumpe说，“转座子长期以来被视为垃圾DNA而被忽视，但对宿主的生物学和进化有着广泛的影响。我们的研究证明了cryo-ET在研究转座子的细胞结构生物学和深入了解其复制周期背后的细胞生物学机制方面的力量。”（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Sven Klumpe et al, In-cell structure and snapshots of copia retrotransposons in intact tissue by cryo-electron tomography, Cell (2025). DOI: 10.1016/j.cell.2025.02.003.