LTR逆轉錄轉座子分類及結構特征

劉盼盼

【摘 要】逆轉錄轉座子是真核生物基因組中普遍存在的一類可移動的遺傳因子，是基因組的重要組成成分。它們以RNA為中間媒介，在基因組中通過不斷自我復制增加拷貝數，影響基因的活性以及基因組的結構，進而導致物種的遺傳多樣性，在生物體的進化過程中發揮重要作用。DNA測序技術的快速發展使我們獲得了大量的組學資源，為全基因組水平的逆轉錄轉座子的系統分析提供了可能。

【關鍵詞】LTR逆轉錄轉座子；結構特征；鑒定方法

ClassⅠ又被稱為逆轉錄轉座子，逆轉錄轉座子根據結構的不同又被分為LTR逆轉錄轉座子和non-LTR逆轉錄轉座子，non-LTR逆轉錄轉座子包括長散布原件（LINE）和短散布原件（SINE）。non-LTR的長度從數千堿基（如典型的LINE）到500bp（多數的SINE）不等。non-LTR反轉錄轉座子的不完全逆轉錄會產生很多小片段，例如MITE。這些轉座子的長度也是大小不一的，例如MULE，是在擬南芥中發現的其長度是從444bp-19397bp不等。non-LTR反轉錄轉座子具有與LTR反轉錄轉座子完全不同的結構和復制機制。 non-LTR反轉錄轉座子，在哺乳動物基因組中首次發現，但也在植物，真菌和無脊椎動物中被鑒定出來。根據所有已知的LTR的RT序列和所有已知non-LTR反轉錄轉座子的系統進化分析，顯然是同源的，表明這兩個主要類別來自共同的祖先。需要強調的是，在大多數基因組中，具備完整序列的轉座子是很少的。大多數都是非自主轉座的轉座子，甚至是一些很小的片段。LTR逆轉錄轉座子包括五個不同的亞族，Ty1-copia，BEL，DIRS和Ty-3 Gypsy，ERV（vertebrate retrovirus）它們廣泛分布于動物和植物中。BEL逆轉錄轉座子主要在后生動物中發現較多。所有的LTR逆轉錄轉座子在結構特征，序列排列特點以及轉座機制上都是非常相似的，通常翻譯gag和pol兩個基因，包含在一個開放閱讀框或者兩個開放閱讀框里面，LTR逆轉錄轉座子與逆轉錄病毒十分相似，而根據是否能夠進行自主的轉座，逆轉錄轉座子又可以分為兩大類，一類是自主型的逆轉錄轉座子，本身具備完整的結構可以進行自主的轉座過程，另一類為非自主轉座子，主要是在植物中發現的如LARDS和TRIM，非自主型的轉座子，必須在自主轉座子的存在下才可以進行轉座。非自主轉座子的長度根據研究也在500-5000bp不等。

一般gag基因形成的蛋白主要包括三種都與病毒蛋白外殼類似：MA（matrix）基質蛋白，CA（capsid）蛋白外殼，，NC（nucleocapsid）核殼體，gag形成的多聚蛋白一般進化非常快所以很少用他們來做系統進化分析，pol基因是聚合酶基因，能夠翻譯成各種與轉座有關的蛋白，主要包括4種蛋白的結構域，有RT，INT，RNaseH，而RT與RNaseH往往是連續的，又經常被稱為RT/RNaseH，通常這段序列比較保守可以用來對不同轉座子進行進化分析，RT序列是最為保守的， gag蛋白與逆轉錄病毒衣殼蛋白高度相似，某種程度上揭示著逆轉錄轉座子與逆轉錄病毒存在進化上的關系。Pol基因含有編碼多蛋白的長ORF，該基因編碼的蛋白及其作用：整合酶（INT），逆轉錄酶（RT）和RNase H（RH）。RT和RH參與反轉錄轉座子的復制和轉座，INT幫助逆轉錄轉座子的DNA形式整合到宿主基因組中。盡管Ty1 / Copia和Ty3 / Gypsy的基本結構相似，但Pol基因中的結構域順序不同，即Ty1 / Copia中的PR-INT-RT-RH和Ty3/Gypsy中的PR-RT-RH-INT。在ORF的末端是長末端的重復序列（LTRs），LTRs的長度在也在幾十個堿基到幾千個堿基之間，一般結構為5-TG……CA-3，LTRs不翻譯任何的蛋白，只有與逆轉錄活動有關的啟動子與終止子，5端緊挨著引物結合位點（PBS），大約有18bp，能夠與特定的tRNA結合，是逆轉錄起始的第一步；3端緊挨著多嘌呤位點（PPT），可以作為引物，從而促進轉座過程中第二條cDNA鏈的合成。 LTR的五個超家族又具有各自的結構特點，所含酶的種類也是有所差異的。

LTR逆轉錄轉座子的各個分類具有各個家族明顯的結構特征，Gypsy， BEL/PAO與Copia之間在結構上有所不同，主要的差異在于整合酶的位置不同，但這個分布特點并不是絕對的，也會有一些例外的情況出現，例如Gypsy超家族里面的Gmer1本身整合酶是位于逆轉錄酶上游的，而DIRS與Ngaro與其他幾類逆轉錄轉座子的則區別比較大，這兩類逆轉錄轉座子屬于YR（酪氨酸重組酶）逆轉錄轉座子，酪氨酸重組酶（YR）逆轉錄轉座子在植物，原生生物，真菌以及各種動物中包括脊椎動物，棘皮動物和線蟲中都有發現，YR逆轉錄轉座子的“gag-RT-RNaseH”結構域排列，類似于 LTR逆轉錄轉座子，但YR逆轉錄轉座子缺少Pro，典型結構包含反向末端重復序列（ITR），內部ORF和由側翼ITR序列的重復衍生的內部互補區（ICR）構成。YR它不編碼天冬氨酸蛋白酶（pep）或DDE型整合酶，YR通常負責位點相似或相同DNA序列之間的特異性重組。 YR逆轉錄轉座子又可以分為DIRS，Ngaro和VIPER三個家族。 DIRS逆轉錄轉座子與其他兩個YR逆轉錄轉座子家族的不同之處在于存在保守的甲基轉移酶（MT）結構域，類似于各種噬菌體編碼的MT，Ngaro逆轉錄轉座子與DIRS逆轉錄轉座子有相似的ORF，但側翼重復的方向不同。DIRS逆轉錄轉座子由反向重復分隔，但Ngaro逆轉錄轉座子的兩側是直接重復（稱為A1，A2，B1和B2）。最早被鑒定出來的DIRS逆轉錄轉座子主要來自粘菌Dictyostelium discoideum， DIRS逆轉錄轉座子在植物，真菌，原生生物和動物的廣泛分布表明該類型的轉座子在真核生物進化的早期出現。DIRS逆轉錄轉座子與其他LTR逆轉錄轉座子轉座機制也有一些不同，其他的LTR逆轉錄轉座子形成的染色體外的DNA分子是線性的而DIRS逆轉錄轉座子的復制最有可能導致圓形染色體外分子。這些可能通過編碼的酪氨酸重組酶催化的重組反應插入宿主基因組中。而ERV1則更為特殊，具有另外的ORF框，稱為env，其編碼具有感染性的蛋白質，env基因存在于逆轉錄病毒中，pol基因內的結構域順序也是重新排列。