反转录转座子L1（也称LINE-1）是一种能在基因组上自发增加自我拷贝数的转座子，约占人类基因组序列的17%。绝大多数L1在漫长的进化过程中早已失去转座（retrotransposition）活性，但据估算目前人类基因组中较为“年轻”并具有转座活性的L1依然有数十至一百拷贝，而这个数量在小鼠基因组上则为三千左右。作为进化的源动力之一，L1转座有几率导致生物种内的个体差异，从长远来看促进了生物多样性的形成。然而就短期来看，转座也不可避免会造成有害突变，导致包括血友病、重症複合免疫不全症以及癌症在内的诸多疾病。尽管L1在多数情况下被严格抑制，但其在哺乳类着床前胚胎中大量表达，令基因组稳定性在生命最初期就受到严重威胁。2022年11月23日，日本庆应义塾大学盐见春彦课题组在Science Advances杂志上发表了题为TDP-43 safeguards the embryo genome from L1 retrotransposition的最新研究成果。该研究以小鼠胚胎干细胞（mESCs）以及小鼠着床前胚胎为研究对象，首次阐明了TDP-43在哺乳类早期胚胎发育过程中参与抑制L1转座从而保护基因组的完整性。L1编码的L1 ORF1p蛋白为L1转座所必须，且在着床前胚胎中大量表达。为了鉴别着床前胚胎中L1转座的抑制因子，研究人员首先制作了鼠抗L1 ORF1p单克隆抗体，并对小鼠二细胞期胚胎样细胞（2C-like mESC）中L1 ORF1p与其相互作用因子进行免疫共沉降（co-IP）和质谱分析，最终筛选出9个候选因子。进一步实验发现TDP-43（由Tardbp基因编码）显著抑制L1转座活性，从而确定其为L1的抑制因子。TDP-43蛋白由氨基端（N-terminal），核定位信号（nuclear localization signal)，两个RNA识别序列（RNA recognition motif）及羧基端（C-terminal) 几个结构域组成。研究人员针对不同结构域构建了突变蛋白，发现氨基端参与与L1 ORF1p的相互作用、羧基端参与抑制L1转座。研究人员进一步制作了表达氨基端缺失TDP-43的mESCs，并在其中观察到“年轻”且具有转座活性的L1拷贝数显著增加、L1 ORF1p表达量大幅上升。相应地，当在小鼠受精卵中利用siRNA敲低（knock-down）TDP-43后，研究人员同样观察到“年轻”L1拷贝数增加、表达量上升的现象。并且在敲低TDP-43后，小鼠囊胚体积明显减小，暗示着L1脱抑制后的大量转座导致了受精卵细胞的非正常死亡。综上所述，TDP-43在哺乳类着床前胚胎中通过与L1 ORF1p直接相互作用抑制L1转座，由此确保发育正常进行。当TDP-43发生突变或其表达量减少时，L1脱离抑制状态发生大规模转座，导致胚胎发育异常。TARDBP基因突变是肌萎缩性脊髓侧索硬化症（Amyotrophic Lateral Sclerosis，ALS）的主要风险因子之一。TDP-43在神经细胞中非正常聚集是ALS病变的主要特征之一。迄今为止已确认有30处以上TARDBP点突变与ALS相关联，且对应的氨基酸突变多集中在TDP-43羧基端。本研究阐明了TDP-43 羧基端参与抑制L1转座，结合先前研究报告ALS患者体内逆转录酶活性高于健康人，作者提出了TARDBP突变导致发育过程中L1转座慢性积累可能导致ALS发病的假设。日本庆应义塾大学医学部分子生物学教室博士研究生李典为该论文第一作者，村野健作研究员以及盐见春彦教授为共通讯作者。本论文作者包括庆应义塾大学博士研究生北野智大、郭又嘉以及东京大学研究员根岸瑠美。
原文链接：
http://doi.org/10.1126/sciadv.abq3806
