神經系統中LINE-1轉座的研究進展

毛洋 李曉宇

[摘要] 長散在核重復序列1（LINE-1）屬于逆轉錄轉座子，至今仍在人類基因組中保留自主轉座的活性，并在基因組中占有很高的比例，其頻繁轉座會引起基因組不穩定，導致嚴重的后果。通常宿主細胞運用多種機制對其轉座進行嚴格控制，所以LINE-1在大多數體細胞中是無活性的，然而近年來有研究證實在神經元細胞中LINE-1可以表達并轉座，插入基因組的不同位置，導致每個神經元細胞在基因水平上都是獨特的。此外，LINE-1的轉座可能在長期記憶等方面具有一定生理學意義，也有可能產生一些病理影響。希望本文能對全面了解LINE-1在神經系統中的情況提供一些線索。

[關鍵詞] LINE-1;大腦;神經系統;逆轉錄轉座

[中圖分類號] R34? ? ? ? ? [文獻標識碼] A? ? ? ? ? [文章編號] 1673-7210（2019）02（b）-0027-04

[Abstract] Long interspersed nuclear element 1 （LINE-1） belongs to retrotransposon， which is the only currently known active autonomous transposon in human cells. It comprises a large proportion of human genome， and its transposition may induce genetic instability and cause serious consequences. Usually， host cells develope multiple strategies to restrict LINE-1 retrotransposition and LINE-1 is inactive in most somatic cells. However， the nerve cells is an exception： LINE-1 can express and transpose in nerve cells， and each neuron is genetically unique by the fact that LINE-1 can insert into various genomic locations. LINE-1 retrotransposition could contribute to some physiological significance such as long-term memory， on the other hand， the expression of LINE-1 may also have some pathological effects. We hope this paper may shed light on the acknowledgement of function of LINE-1 in the nervous system.

[Key words] LINE-1; Brain; Nervous system; Retrotransposon

轉座子是細胞基因組的重要組成部分，約占人類基因組總量的45%，是一類能在基因組移動的DNA重復序列。轉座子按照其轉座方式主要分為DNA轉座子和RNA轉座子兩大類：DNA轉座子利用自身編碼的轉座酶通過剪切、重新整合等過程將轉座基因從基因組的一個位置轉移到另一個位置，這類轉座子在轉座過程中不改變拷貝數，而只是改變其在基因組中的位置[1];RNA轉座子也被稱為逆轉錄轉座子，它首先轉錄生成RNA作為中間體，然后逆轉錄生成cDNA再插入新的染色體位點，因此RNA轉座子在轉座過程中不但保留了原有位置的轉座基因，而且還能將復制的拷貝插入基因組中的新位置[2]。在人類基因組長期的進化過程中，多數轉座子都喪失了轉座的能力，目前唯一具有自主轉座能力的轉座子是逆轉錄轉座子長散在核重復序列1（long interspersed nuclear element-1，LINE-1，L1）[2]。

由于L1在人類基因組中占有很高的比例（約17%），而活躍的L1又可以通過插入、缺失、重組和轉導等方式影響其他基因的表達，嚴重地影響了基因組的穩定性，甚至引起基因疾病和癌癥[3]。因此，宿主會對L1的轉座產生一系列的調控，包括表觀遺傳學修飾、非編碼小RNA干擾、宿主限制因子調控等[4]。之前的研究表明，大多數的逆轉錄轉座都發生在生殖細胞系及癌細胞中，而體細胞的轉座則被嚴格抑制，然而近年來有研究表明，L1會高度活躍在中樞神經系統的某些區域中，并產生相應影響。

1 神經系統中LINE-1功能的初步研究

通常認為每個人的每個細胞都有相同的基因組。實際上在個體的一生中，突變會在細胞中逐漸積累，每個細胞都包含一組獨特的基因突變，其中部分基因差異是由逆轉錄轉座子引起，這是因為它們能夠復制并轉移到基因組的不同位置，從而引起基因突變。2005年，Muotri等[5]首先證實了LINE-1會在哺乳動物大腦的神經祖細胞（neural progenitor cells，NPCs）中進行逆轉錄轉座，隨后多項研究同樣表明，逆轉錄轉座相關的突變存在于人類的腦細胞中。2015年，Upton等[6]利用單細胞RC-seq測得正常大腦皮層和海馬區的每個神經元平均包含多達16和13.7個逆轉錄轉座相關的突變，這表明逆轉錄轉座子可能在健康的大腦中扮演重要角色。

目前已有研究證實內源性逆轉錄因子L1的插入可以被認為是產生神經元基因組多樣性的一種潛在機制。Singer等[7]認為，新的體細胞L1的插入可能會在神經元中通過引起基因組DNA序列和轉錄組的改變而形成神經元的“基因組可塑性”，并由此影響神經元的行為和可塑性，這種插入可能是大腦基因組多樣性產生的一種機制。在其他生理學作用方面，Bachiller等[8]探索了在海馬體中L1的逆轉錄轉座和記憶形成之間的關系。通過誘導小鼠海馬體中神經元蛋白的合成，并隨后提取海馬體基因組后利用半定量PCR發現開放閱讀框2（ORF2）插入明顯增加，這表明在成人海馬體中的確有L1的表達。此外，作者進一步研究了L1的激活在學習和記憶過程中的潛在作用，利用拉米夫定特異性阻斷L1表達發現對短期記憶沒有明顯影響，卻會損傷長期記憶形成等認知過程。但是由于在此研究中并沒有發現ORF1的插入增加，也沒有在蛋白水平對L1進行詳盡的測定，所以對于L1與記憶形成之間是否的確具有密切聯系仍然需要更有說服力的證據。

目前為止，神經系統中L1的轉座是否有生理上的必然性仍然亟待研究，但是與其在神經系統中高度活躍密切相關的疾病已有不少研究。

2 LINE-1與神經系統疾病

近年來出現了一系列關于L1活動與神經系統疾病相關的研究，已有實驗室發現L1的高度活躍與雷特綜合征（RTT）[9]、創傷后應激障礙（PTSD）[10]、精神分裂[10-11]、自閉癥[12]、抑郁癥[13]、共濟失調毛細血管擴張癥[14]等具有很強的相關性。

2.1 LINE-1與雷特綜合征

RTT是一種嚴重影響兒童精神運動發育的疾病，臨床特征為進行性智力下降、孤獨癥行為、刻板動作及共濟失調。它是一種由與基因沉默有關的甲基結合蛋白（methyl CpG binding protein 2，MeCP2）基因突變引起的神經發育障礙[15]。目前一些報告表明MeCP2的一個作用可能是對L1的轉座進行負調控[9，16]。Muotri等[9]發現在NPCs中，MeCP2可以結合在L1啟動子中與甲基化DNA結合，并抑制其轉錄。實驗表明MeCP2基因敲除小鼠的神經上皮細胞表達的L1 RNA比野生型對照組多4倍;此外，攜帶MeCP2基因突變的RTT患者，對L1逆轉錄轉位的敏感性增加。故此研究認為，與疾病相關的基因突變可以影響神經元L1逆轉錄轉座的頻率。

2.2 LINE-1與精神分裂癥

精神分裂癥（schizophrenia）是一種常見的精神病，目前病因未完全闡明，至今還沒有確切的實驗室檢查或者化驗結果作為診斷依據。而在近幾年有研究發現L1與精神分裂癥之間或許有一定程度的關聯。

Bundo等[10]稱在精神分裂癥患者的前額葉皮層和誘導多能干細胞衍生的神經元中L1的拷貝數有所增加，并在全基因組測序后發現L1會插入到精神分裂癥和突觸功能相關的基因區域中。隨后有研究者證實，在大腦的L1插入中，很大一部分位于某些與精神分裂癥發病機制路徑有關的基因中，L1插入到其蛋白質編碼基因的ORF中，很有可能產生相關的基因變異以影響罹患精神分裂癥的風險[17]。

2017年，Doyle等[11]假設被診斷為精神分裂癥的患者（PDS）可能增加了有害的L1插入，這可能是在大腦表達的背外側前額葉皮層（DLPFC）神經元的基因中發生的。于是他們對L1插入的序列進行了分析，發現在PDS中，基因內的新L1的比例在統計學上有顯著的提高，并發現在ERI3中L1的插入與精神分裂相關。但是Doyle等[18]在對歐洲裔美國人精神分裂癥患者體內ERI3基因中L1的測定中卻發現，ERI3中L1的插入與精神分裂癥的表型無關，這與他們之前得出的結果相互矛盾。

雖然相關研究仍然需要進一步推進，但是從RTT以及精神分裂癥相關研究來看，逆轉錄轉座子一旦插入到重要基因中，很有可能產生負面影響，與疾病產生密切相關。

2.3 LINE-1與自閉癥

2018年，Shpyleva等[12]觀察了四個大腦區域，BA9（額葉皮質）、BA24（前扣帶）、BA22（聽覺處理）和小腦，發現在自閉癥患者的小腦中L1表達明顯上升，同時，MeCP2和H3K9me3與L1的結合明顯降低，這表明表觀遺傳抑制能力的下降可能導致了L1表達的增加。此外，也有報道指出，在抑郁癥[13]和PTSD[10]中，L1的甲基化有所降低。

不單單是神經方面的疾病，在Doyle等[19]的研究中，發現L1的逆轉錄轉座甚至影響可卡因成癮的易感性，他們認為這可能是L1插入引起的遺傳因素導致。雖然L1與各種神經系統疾病之間的關系仍然需要進一步研究證實，但目前各種證據也顯示了腦中的L1轉座的重要性。

3 神經系統對LINE-1的調控

無論是在影響長期記憶形成等生理方面還是RTT等病理方面，L1均發揮著不容忽視的作用。與其他體細胞相似，神經系統同樣會對L1進行一系列的調控，目前已經有充分證據顯示在神經系統中轉錄因子Sox2和甲基結合蛋白MeCP2均會對L1進行調控。

轉錄因子Sox2是SOX區域Y相關高遷移率組（high mobility group，HMG）蛋白家族成員之一，是調節哺乳動物胚胎發育的必要因子之一，在早期胚胎神經細胞中限制性表達，隨后發揮抑制神經干細胞分化的作用。Muotri等[5]發現，Sox2可以與L1啟動子相互作用，進而抑制小鼠神經干細胞中L1的表達，在神經干細胞分化成NPCs的過程中，Sox2表達降低，L1轉錄激活，因此可能進行逆轉錄轉座。

除轉錄因子Sox2會對L1進行調節之外，DNA甲基化也可對L1的轉錄進行抑制。MeCP2是一種與基因沉默有關的甲基結合蛋白。2009年，Coufal等[20]研究發現MeCP2能夠在神經發育過程中對L1進行調節。前文中也提及在Muotri等[9]的研究中發現，在NPCs中，MeCP2可以結合在L1啟動子中與甲基化DNA結合，并抑制其轉錄。Skene等[21]發現了MeCP2基因敲除小鼠的成熟神經元表達了更多的L1，因此認為MeCP2的另一個功能可能是控制成熟神經元中L1的表達。

目前研究發現在其他體細胞當中，有很多細胞蛋白會對L1轉座產生影響，如APOBEC3蛋白[22]、MOV10蛋白[23]、SAMHD1蛋白[24]、TREX1蛋白[25]等，而這些蛋白在大腦中是否也能夠對L1的轉座產生作用仍待探究。

4 結語與展望

在神經系統中，逆轉錄轉座并不罕見，它們高度活躍、高頻發生，在NPCs中的轉座可以改變附近基因的表達，而這些基因表達的改變又會直接對神經元產生相應影響，甚至神經系統發育中的L1轉座可能導致神經系統發育障礙等疾病。那么L1在人類大腦中為何高頻轉座，是否有其生理學意義？既然L1與神經系統發育疾病具有密切聯系，那么是否能通過調控其逆轉錄轉座而對疾病進行治療？在現有的L1研究基礎上，設計開發新的研究方法，進一步探索相關機制，才能更好地理解L1在人類大腦中的作用。

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（收稿日期：2018-08-08? 本文編輯：羅喬荔）