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科學家揭示了“自私DNA”在人類早期發育中的關鍵作用

來源：作者：人氣：-發表時間：2024-10-17 11:55:00【大中小】

摘要：人類早期的發育不是由我們自己的基因控制的，而是由散布在基因組周圍的“自私的DNA”控制的。

西奈健康中心的研究人員發現，人類早期發育的一個關鍵轉變不是由我們自己的基因控制的，而是由一種叫做轉座子的DNA元素控制的，這種元素可以在基因組中移動。

這一非凡的發現挑戰了我們之前對這些難以捉摸的DNA片段的理解，為它們在人類發育和疾病中所起的作用提供了新的視角。

圖1 LINE1和PRC2控制人類胚胎干細胞核仁組織和8C狀態的抑制

“人們傾向于認為轉座子類似于病毒，它們劫持我們的細胞的唯一目的是繁殖自己，”該研究的資深合著者Miguel Ramalho-Santos博士說。

“但在這里，我們發現這些元素不僅僅是基因組寄生蟲，而且對早期發育至關重要，”Ramalho-Santos博士說，他是加拿大150名發育表觀遺傳學研究主席。

他們發表在《發育細胞》（Developmental Cell）雜志上的研究表明，轉座因子對于確保人類胚胎細胞在早期正常發育（而不是回到過去）至關重要。

研究人員專注于被稱為LINE-1的轉座元素，即長時間散布的核元素-1。我們自己的基因只占我們基因組的不到2%，而line -1元素在我們細胞中的遺傳物質中占了驚人的20%。一些LINE-1元素可以在基因組中擴增和移動，將自己插入新的位置。因為它們以一種可以破壞正常基因功能的方式自行傳播，這為它們贏得了“自私DNA”的綽號。

多年來，科學家們認為這些元素大多是有害的，偶爾會對基因組造成嚴重破壞，并導致血友病、神經系統疾病和癌癥等多種疾病。

該研究的資深合著者、博士后Juan Zhang最初發現，LINE-1 RNA信息在早期胚胎中非常豐富，這很有趣。RNA信息分子是從活躍的基因組部分轉錄出來的，這表明LINE-1元素在這些關鍵的早期階段被打開。

“如果轉座子是有害和危險的，為什么我們看到它們在早期胚胎中活躍？”這是一個剛開始形成的胚胎。在這一點上，任何對基因組的危險插入都將在個體的其余發育過程中傳播，”張博士說。

圖2 LINE1家族阻止了人類胚胎干細胞（hESC）向8細胞樣細胞（8CLC）的逆轉

當張博士在培養的人類胚胎干細胞（ESCs）中抑制LINE-1表達時，逆轉發生了，使它們回到更原始的8細胞階段。此時，這8個細胞中的每一個都是相同的和全能性的，能夠發育成胚胎和胎盤。然而，在這一階段之后，雖然ESCs仍然可以形成所有的胎兒細胞，但它們對胎盤的貢獻越來越少，胚胎通過胎盤從母親那里獲得營養。

進一步的實驗表明，這些LINE-1信息分子作為一個支架，在細胞核的三維空間中組織DNA。它們幫助19號染色體轉移到8細胞階段的關鍵基因——細胞核的基因沉默區域，確保胚胎能夠順利進入后續階段。

“我們發現LINE-1在一個關鍵的轉折點上調節基因表達，在這個轉折點上胚胎開始將細胞特化以實現各種功能。我們的研究結果表明，這不是偶然發生的，而是一種重要的進化機制。”

更令人驚訝的是，LINE-1元素的新角色偏離了它們跳到新的基因組位置的典型行為，從而導致潛在的有害突變。相反，在這種關鍵的背景下，LINE-1元素只促進發育進程，這種獨特的作用強調了它們在早期人類生長中的重要性。

這項基礎研究對生育治療和干細胞在再生醫學中的應用具有重要意義。此外，這項工作揭示了LINE1的新作用，現在可以在從神經系統疾病到癌癥的疾病背景中探索LINE1。

LTRI主任兼西奈健康研究副總裁Anne-Claude Gingras博士說：“這項研究強調了有多少東西需要學習，不僅是關于人類發展，而且關于這些神秘的基因組元件，它們的作用才剛剛開始顯現。我祝賀我的同事們在人類生物學的這一引人入勝的見解方面取得了新的突破，我熱切地期待著他們在繼續他們的工作時能有更多的發現。”

參考資料

[1] LINE1 and PRC2 control nucleolar organization and repression of the 8C state in human ESCs