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揭示逆转座子在基因组上跳跃的分子机制

作者: 发布时间:2024-01-05 浏览次数:169
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逆转座子是一类可以通过“复制-粘贴”的方式在基因组上发生跳跃的DNA元件。R2是低等真核生物中广泛存在的一种逆转座子。它们专一性地“寄生”在宿主基因组的28S核糖体DNA中,借助宿主基因的启动子,合成自身的mRNA和蛋白质并组装形成R2复合物(“复制”过程);R2复合物可再次识别宿主28S核糖体DNA上的专一性位点,通过核酸酶(endonuclease, EN)结构域切开DNA双链,再通过逆转录酶(reverse transcriptase, RT)结构域逆转录合成cDNA,将R2基因序列重新整合到宿主基因组上(“粘贴”过程),完成“增殖”。

有趣的是,逆转座子等可移动的DNA元件在基因组上跳跃的过程中,极大地丰富了基因组的组成,被认为在基因组进化的过程中扮演着重要的作用。因此,理解逆转座子在基因组上跳跃的分子机制将有助于思考“我们的基因组从哪里来、如何来”的问题。此外,利用逆转座子在基因组上跳跃的性质,开发新的核酸操纵工具,将具有巨大的应用前景(Science, 2023)。

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图1. 逆转座子在基因组上跳跃的示意图

2023年6月9日,清华大学生命学院刘俊杰 (Jun-Jie Gogo Liu) 课题组在Cell杂志在线发表了题为Structural RNA components supervise the sequential DNA cleavage in R2 retrotransposon的研究论文。研究人员报道了R2逆转座子的mRNA中存在两段结构性的RNA,共同调控顺序性的DNA双链切割,从而保证逆转座的准确进行。此外,课题组还将第二类内含子(Group II intron)、LINE-1逆转座子与R2逆转座子进行了比较,总结了生物大分子进化过程中,以RNA为主导逐渐过渡到以蛋白质为主导的进化趋势,提出了新颖的见解。

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研究人员发现, 位于R2 mRNA 3’端非翻译区的RNA(3’-RNA)在R2蛋白质切割DNA双链的过程中,表现出促进***条链切割、抑制第二条链切割的作用;位于5’端翻译区的RNA(5’-RNA)则表现出降低***条链切割、激活第二条链切割的作用;而当5’-RNA与3’-RNA同时存在时,总是表现出3’-RNA的调控作用,并且完全抑制第二条链的切割。为了进一步理解其中的分子机制,研究人员解析了R2逆转座子在3’-RNA结合状态和5’-RNA结合状态的高分辨结构。在3’-RNA结合状态中,DNA底物被蛋白质特异性识别,3’-RNA核心区域结合在RNA结合(RNA binding, RB)结构域上。在5’-RNA结合状态中,5’-RNA呈现出复杂的“三爪(three-claw)”结构,紧密的包裹住蛋白质核心。值得注意的是,5’-RNA的其中一个爪(Claw3)同样结合在RB结构域上,且生化分析表明,Claw3对激活第二条链切割是必要的。

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图2. 3’-RNA结合状态(左)和5’-RNA结合状态(右)的复合物结构

此外,研究人员用一段连接序列将5’-RNA与3’-RNA连接成一条RNA,设计了R2全长mRNA的模拟物(L-RNA),并获得了R2逆转座子在L-RNA结合状态的结构。在这个结构中,5’-RNA同样以“三爪”的形式与蛋白质核心紧密结合,但由于3’-RNA的挤占,起激活第二条链切割作用的Claw3未能与RB结构域结合。研究人员发现,L-RNA中3’-RNA与蛋白质RB结构域的结合将抑制第二条链的切割,但当提供dNTP作为原料,使逆转录可以发生后,3’-RNA在作为逆转录模板的过程中逐渐从RB结构域上解离下来,5’-RNA得以与RB结构域结合,从而激活第二条链的切割。

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图3. L-RNA结合状态的复合物结构与RNA监督DNA双链顺序性切割的示意图

综合以上分析,研究人员总结得出了R2逆转座子在基因组上跳跃的分子机制:R2蛋白质特异性识别28S核糖体DNA序列后,蛋白质RB结构域首先结合R2 mRNA上的3’-RNA,促进***条DNA链的切割,同时抑制第二条链的切割,仅暴露出***条链的3’-OH作为引物,从mRNA的3’端起始逆转录过程(Target primed reverse transcription, TPRT),随着逆转录的进行,位于mRNA 3’端的3’-RNA逐渐从蛋白质RB结构域解离,对第二条链切割的抑制作用得以释放,R2 mRNA上的5’-RNA与RB结构域的结合进一步激活了第二条链的切割。由此,位于mRNA两端的结构性RNA共同监督了DNA双链的顺序性切割。这种严密的顺序性切割保障了依赖宿主基因表达元件的R2逆转座子进行“有效的增殖”,在28S核糖体DNA中不断产生有活性的拷贝。

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