▲内源性逆转录病毒DNA深刻影响人类基因组进化。（视觉中国 / 图）
斯坦福大学医学院的研究人员发现一段在人类进化过程中插入并固化在人类基因组的远古逆转录病毒DNA序列，该序列是人类胚胎早期发育的关键开关。这是远古病毒深刻影响人类胚胎发育和物种进化的又一例证。
文｜南方周末特约撰稿 汤波
责任编辑｜朱力远
人类基因组并不纯粹，里面含有大量远古病毒的遗赠——内源性逆转录病毒DNA，约占人类基因组总量的8%。绝大多数内源性逆转录病毒DNA位于人类功能基因区域之外，甚至离功能基因非常遥远，科学家在发现之初一度认为它们毫无用处，因此将其称为“垃圾”DNA。但是越来越多的研究证明，这些“垃圾”DNA不仅具有重要功能，而且深刻影响人类和其他物种的生命个体发育，甚至整个物种的进化。
最近，来自斯坦福大学医学院的研究人员通过构建一种基于人类诱导多能干细胞的类囊胚模型，发现了一段在人类进化过程中插入并固化在人类基因组的远古逆转录病毒DNA序列，该序列是人类胚胎早期发育的关键开关，该研究发表在国际著名学术期刊《自然》上，是远古病毒深刻影响人类胚胎发育和物种进化的又一例证。
1
人类基因组中的“垃圾”DNA永信策略
2001年，被誉为生命科学“登月计划”的人类基因组计划取得重磅成果，人类基因组草图正式公布。来自6个国家的科学家首次能对人类基因组序列进行全面而深入的研究，得以从中揭示很多新的发现，包括人类基因组大小约为30亿碱基对，功能基因数量只有2万多个，远非此前猜测的10万个，等等。另外还有一项新发现也引起了广泛关注，人类基因组含有大量类似逆转录病毒基因结构的重复序列，其总和竟然约占人类基因组大小的8%，而人类功能基因编码DNA序列也只占到人类基因组总量的1%-2%。
研究发现，人类基因组中这些重复DNA与逆转录病毒的基因结构非常相似，大多具有编码病毒结构蛋白、蛋白酶、逆转录酶和包膜糖蛋白等核心基因，以及在核心基因两侧的长末端重复序列。类似的重复序列不仅存在人类基因组中，在其他哺乳动物和脊椎动物的基因组中也广泛存在。科学家推测，在数千年前的哺乳动物进化过程中，外源性逆转录病毒在感染宿主生殖细胞过程中，利用逆转录酶将其自身的遗传物质RNA逆转录成双链DNA，然后借助长末端重复序列整合到宿主基因组中，变成内源性逆转录病毒DNA序列，并通过生殖细胞将这些序列遗传给下一代。
这些远古逆转录病毒DNA借助长末端重复序列，能从宿主基因组的一个位置跳到另一个位置，因此又被称为“跳跃基因”或转座子。逆转录转座子的每次跳跃，会通过“复制粘贴”机制，在宿主基因组中留下一段逆转录病毒的DNA序列，这使得源自远古逆转录病毒的重复DNA序列在宿主基因组中越来越多，一度被认为是没有功能的“垃圾”DNA。
在宿主进化过程中，大多数远古病毒DNA逐渐积累点突变和缺失，并发生重组，失去了形成感染性病毒颗粒以及病毒DNA转座跳跃的能力，逐渐失去了原有功能，也不再在基因组中跳来跳去。迄今为止，没有发现这些留存在人类基因组中的逆转录转座子具有病毒复制的能力。不过，仍然有少数逆转录转座子具有特定的功能，特别是在胚胎发育早期发挥着重要的转录调控作用，通过调控一些胚胎发育的关键基因表达，从而对胚胎发育施加重要影响，进而影响哺乳动物包括人类的发育和进化。
目前已知人类基因组有数十个逆转录病毒DNA家族，大多数人类内源性逆转录病毒DNA家族至少在2500万年前就入侵了灵长类动物的基因组，只有一个命名为HERVK家族的转座子插入时间较晚，发生在类人猿从灵长类动物中分化之后。目前已发现近700个HERVK转座子是类人猿所特有的，科学家推测其是在约25万年前插入到类人猿基因组中的，而其中有一部分则是人类基因组特有的。这类人类特有的HERVK转座子往往会在胚胎的八细胞阶段被转录激活，并在囊胚期保持活性。
2
胚胎发育的关键“开关”
为了研究这些远古逆转录转座子到底对人类胚胎早期发育产生了什么影响，科学家需要对处于囊胚期的人类胚胎进行各种遗传操作。囊胚是胚胎发育过程中的一个关键阶段，在卵子受精后第5-7天，受精卵经过不断卵裂，会形成一个由滋养层细胞、内细胞团和囊胚腔组成的结构，即囊胚。如果囊胚继续发育，滋养层细胞将发育成胎盘，内细胞团则会发育为胎儿。由于受到伦理、技术、来源等诸多限制，科学家无法对体内或体外受精卵来源的人类胚胎开展深入研究。
最近，斯坦福大学医学院的研究人员开发了一种替代人类胚胎的类囊胚模型，有望突破这种限制。他们首先在实验室培养出人类诱导多能干细胞，然后通过添加一些特殊成分，使其可自我发育和组装成类囊胚，具有类似受精卵发育而来的人类胚胎结构和功能。这种类囊胚的外滋养层细胞、内细胞团和囊胚腔等结构一应俱全，也具有继续发育的潜力，可用于开展人类胚胎早期发育的各种遗传研究。
通过这种体外的类囊胚，研究人员发现，HERVK转座子在胚胎期仍然具有编码逆转录病毒蛋白的能力，而且在囊胚的内细胞团表达比较活跃，在外滋养层细胞表达水平较低。接下来，研究人员利用基因编辑技术对处于初始状态的人类干细胞进行遗传操作，对人类基因组中含有的近700个HERVK家族转座子进行不同水平的表达抑制，结果发现这些转座子被高度抑制后，干细胞无法正常形成类囊胚，表明某些HERVK转座子对内细胞团形成和细胞谱系识别至关重要。进一步分析发现，这些HERVK转座子的抑制主要导致了类囊胚发育相关的基因表达紊乱，而一些人类特有的HERVK转座子则是多种胚胎正常发育相关基因的增强子。
通过逐一筛查，研究人员发现了一种人类基因组特有的HERVK转座子插入到了一个名为ZNF729的基因附近。ZNF729是锌指转录因子家族的一员，是一种重要的基因表达调控因子，它通过激活或抑制等方式，对一些参与胚胎早期生长和细胞增殖的重要基因进行表达调控。ZNF729在猕猴的初始胚胎干细胞中基本不表达，在黑猩猩中表达水平较低，而在人类胚胎干细胞中表达非常活跃，这主要归因于插入其附近、具有增强子功能的人类特异HERVK转座子。这种人类特有的HERVK转座子插入到ZNF729基因附近后，会增强该基因的表达，是囊胚正常形成的关键。一旦抑制了该HERVK转座子，ZNF729基因的表达水平随之降低，导致干细胞无法自我组装成囊胚。如果在HERVK转座子被抑制的干细胞中采取其他方式增强ZNF729基因的表达，干细胞发育成类囊胚的过程又得以恢复。另外，研究人员还发现ZNF729倾向于结合富含GC重复的数千个启动子序列，可以调控数百个与胚胎发育相关的基因表达。
斯坦福大学医学院的研究充分证明，一些内源性逆转录病毒转座子仍然具有功能，它们通过调控一些关键基因的表达，可进一步广泛调控与其相隔非常远的发育相关基因的表达，从而在人类胚胎早期发育中发挥着关键的表达调控作用。这无疑又一次有力地证明了远古病毒DNA在人类进化过程中扮演重要角色。
3
远古病毒DNA的更多影响
在人类基因组计划发现大量内源性逆转录病毒DNA之后的二十多年里，科学家不断研究，陆续发现这些远古病毒遗留在人类基因组的转座子DNA并不简单，它们不仅在人类胚胎早期发育和物种进化过程中发挥重要作用，也可能给人类带来潜在的健康风险。
正如斯坦福大学医学院的最新发现一样，很多还在发挥功能的逆转录转座子在受精卵形成之后数小时开始被激活，主要在胚胎干细胞和多能干细胞中表达，影响这些干细胞的特性和分化方向，从而在胚胎早期发生和发育过程中发挥阶段性的关键作用。研究表明，人类基因组中的逆转录转座子至少提供了约32万个转录因子结合位点，可充当人类胚胎早期发育相关基因表达的启动子、增强子等关键元件，从而成为人类基因复杂调控网络中的主要调控因子。有些逆转录转座子还可以通过多种方式参与机体对病毒感染的防御，例如阻断外源性逆转录病毒蛋白与受体的结合，从而降低逆转录病毒的感染效率。
逆转录转座子不仅充当胚胎发育调控因子的关键角色，而且也能形成重要的功能基因。例如，科学家发现了合胞素-1和合胞素-2是由逆转录病毒包膜基因演变而来，均是在灵长类动物进化过程中形成的，其中合胞素-1在2000万至3000万年前形成，而合胞素-2可能是在4000万至4500万年前整合到灵长类基因组中。这两个基因均在人类胚胎的胎盘滋养层细胞广泛表达，具有促进滋养层细胞融合、维持滋养层干细胞增殖和防止其他外源性逆转录病毒感染等功能，表明其在灵长类动物胎盘形成过程中发挥重要作用。
有意思的是，当胚胎发育到着床前的时间内，这些逆转录转座子会经历一系列严格的表观修饰程序，其转录水平随之下降，很快进入沉默状态。这一机制确保了逆转录转座子的转录活性受到严格控制，一般不会对宿主造成健康威胁。但是如果被异常激活，则会引发一系列疾病。中国科学院北京基因组研究所研究人员收集了全球6万多项研究，构建了一个内源性逆转录病毒与疾病相关的数据库和知识图谱，显示逆转录转座子与100多种人类疾病相关，包括癌症、自身免疫性疾病、多发性硬化症、阿尔茨海默症等各类疾病。以癌症为例，逆转录转座子一旦插入到原癌基因或抑癌基因内部或附近，由于这些转座子可作为基因表达的启动子或增强子，可能引发原癌基因或抑癌基因表达失调，是促进癌症发生的重要因素。逆转录转座子DNA所编码的蛋白质也可能直接参与癌症的发生。研究显示，逆转录转座子的包膜蛋白可促进癌细胞之间的融合，参与癌细胞免疫逃逸，从而促进癌细胞的发生和发育。
逆转录转座子已在人类基因组中存在至少数十万年，早已与人类基因组其他部分融为一体永信策略，成为人类基因组不可分割的组成部分。逆转录转座子主要通过充当启动子或增强子等转录元件、编码蛋白质或利用转录产物参与各种生物过程，在人类胚胎发育、人类物种形成与进化中发挥着关键作用，并可能影响人类健康。当然，随着人们对内源性逆转录病毒的了解日趋深入，逆转录转座子也被用作疾病治疗的靶点，为科学家找到一些重大疾病的新疗法发挥重要作用。
广瑞网提示：文章来自网络，不代表本站观点。
