第一个被发现能引导跳跃基因的防御系统“Kipferl”

研究人员描述了果蝇卵巢中不同类型的重复DNA元素是如何被相同的沉默机制控制的。他们发现的核心是一种未被描述的蛋白质，研究人员将其命名为“Kipferl”，它确保了跳跃基因的有效控制。

　　

我们的DNA有很大一部分是由自私的重复DNA元素组成的，其中一些元素可以从基因组的一个位置跳到另一个位置，有可能破坏基因组。奥地利科学院(IMBA)分子生物技术研究所的研究人员描述了果蝇卵巢中不同类型的重复DNA元素是如何由相同的沉默机制控制的。他们发现的核心是一种未被描述的蛋白质，研究人员将其命名为“Kipferl”，它能确保对跳跃基因的有效控制。这些发现表明，不同的自私元件在争夺宿主基因组防御系统，Kipferl可能是一系列尚未发现的类似作用的分子中第一个。研究结果发表在《eLife》杂志上。

大约一半的人类基因组和五分之一的果蝇基因组是由类似基因的遗传“寄生虫”组成的，它们可以自我复制，并将自己插入我们基因组的随机区域，有可能扰乱正常的基因表达。为了控制这些所谓的转座子，人们进化出了多种防御机制。其中一种机制是一种叫做piRNA通路的RNA干扰系统。piRNA通路是一个小的RNA沉默通路，在整个动物王国，从海绵到哺乳动物保守。这种沉默机制使用从DNA中富含转座子的序列中产生的称为“piRNA簇”的piRNA, piRNA是一种小RNA，与沉默机制中的所谓Argonaute蛋白结合，以与其序列互补的转座子为目标。因此，这些piRNAs作为基因组中具有互补序列的转座子的识别和沉默的蓝图，无论它们能跳多远。

piRNA途径首次发现的是果蝇黑腹果蝇使用一种名为“Rhino”的蛋白质在基因组中寻找piRNA簇。然而，Rhino如何识别DNA中的piRNA簇仍然是未知的。该研究的通讯作者、IMBA小组负责人Julius Brennecke说:“之前的体外数据显示，Rhino对一种特定的表观遗传标记H3K9me3具有亲和力。”这种修饰是“异染色质”的标记，异染色质是一种紧密排列的DNA，其中的基因是沉默的。然而，H3K9me3并不特定于piRNA簇，但也经常在基因组的其他密集区域发现。在那里，H3K9me3与主异染色质蛋白1 (HP1)结合，HP1是Rhino的近亲。为什么HP1和Rhino结合不同的异染色质子集，即使它们对相同的染色质修饰有相当的亲和力，长期以来一直不清楚。毫无疑问，H3K9me3是必需的，但还不足以解释Rhino与染色质的结合。因此，一定有额外的分子线索帮助将Rhino定位到piRNA簇。

在寻找这种分子线索的过程中，研究小组对Rhino的直接相互作用者进行了分类，寻找一种可能引导Rhino进入piRNA簇的伙伴蛋白。通过结合基因、基因组和成像方法，研究人员在果蝇的卵巢中发现了一种蛋白质，含有几个被他们称为“Kipferl”的锌指褶皱。Kipferl不仅可以与Rhino结合，还可以使用其锌指对富含鸟苷的DNA基序进行特异性结合。研究小组发现，大多数piRNA簇是通过Kipferl的特异性DNA结合位点与局部异染色质的结合而确定的。在这些位点上，Rhino与H3K9me3表观遗传标记的相互作用被Kipferl稳定下来，这解释了为什么Rhino只与基因组中发现的所有异染色质的一小部分结合。

为了增加复杂性，团队知道Rhino不仅本地化到piRNA集群。最近，Rhino被证明可以绑定到所谓的“卫星阵列”上。这些是位于染色体着丝粒附近的非编码和非转位DNA的重复序列。IMBA布伦内克实验室的博士生、第一作者丽莎·鲍姆加特纳(Lisa Baumgartner)说:“当我们产生变异或缺失Kipferl的果蝇并在显微镜下观察它们时，我们看到了对Rhino的显著影响。”当Kipferl突变时，Rhino不再定位于整个基因组的piRNA簇。相反，它在基因组卫星阵列中强烈积累。“我们看到Rhino形成了独特的新月形，而不是分布在细胞核周围的小点。基于这第一次观察，我们将这种新蛋白质命名为“Kipferl”，以一种颇受欢迎的羊角面包形状的奥地利糕点命名。”后来发现，这些结构与卫星阵列的巨型基地延伸相对应。因此，科学家们表明，Kipferl有助于适当地将Rhino分配到piRNA集群，并避免其被隔离到卫星阵列。

Rhino蛋白是果蝇基因组中进化最快的蛋白质之一。布伦内克和他的团队假设，这种快速进化很可能是由于来自卫星阵列的积极进化压力。“卫星阵列不会移位，但可以重组。然而，如果它们以不受控制的方式这样做，整个染色体臂可能会丢失。因此，卫星阵列可能需要一种包括Rhino和其他piRNA路径组件的控制机制，以帮助将它们打包成紧密的异染色质。这可能就是为什么卫星阵列似乎想要隔离它们能找到的所有Rhino的原因，”Baumgartner解释说。

Baumgartner认为Rhino和piRNA通路在与卫星阵列或piRNA簇和转座子的相互作用中可能扮演着非常不同的角色。她说:“转座子的跳跃和增殖对基因组的功能构成了威胁，因此有必要通过piRNA途径使它们沉默。”因此，在转座子看来，piRNA通路是阻止它们在基因组中传播的“敌人”。另一方面，卫星阵列只需要额外的一层控制，以确保它们可以保持高拷贝数，而不通过不必要的重组破坏基因组。因此，在卫星阵列的眼中，我认为Rhino是确保它们生存的一个因素，”她解释道。

基于这些观察和分析，科学家们认为卫星阵列可能使用了另一种像Kipferl这样的伙伴蛋白，来帮助将Rhino定位到它们的DNA中。“为了对抗卫星阵列对Rhino的隔离，我们推测Kipferl的进化可能是为了帮助将Rhino重新定位到piRNA集群。因此，我们的研究结果表明，Rhino可能处于基因冲突的交叉火力中，”Brennecke说。此外，Rhino在果蝇的睾丸和卵巢中都有表达，而Kipferl只在卵巢中表达。“Kipferl可能是Rhino导引因素中尚未发现的第一个，”Brennecke总结道。

Lisa Baumgartner, Dominik Handler, Sebastian Wolfgang Platzer, Changwei Yu, Peter Duchek, Julius Brennecke. The Drosophila ZAD zinc finger protein Kipferl guides Rhino to piRNA clusters. eLife, 2022; 11