逆转录转座子3S18通过形成自我保护性聚集体延长果蝇卵子发生中期

本研究揭示了果蝇中特定LTR逆转录转座子3S18的独特生存策略。研究人员发现当piRNA通路被抑制时，3S18的mRNA及其整合酶会形成微米级的核糖核蛋白聚集体TARCOs，这些聚集体不仅保护转座子产物免受降解，还会阻碍宿主物质的运输，导致卵子发生中期延长。该发现为理解转座子与宿主的相互作用提供了新视角，可能对其他寄生元件（包括病毒）的研究具有启示意义。论文发表在《Cell Reports》杂志。

　　

在生物界广泛存在的转座子被称为"跳跃基因"，它们具有在宿主基因组中移动的能力。其中，逆转录转座子(retrotransposon)通过"复制粘贴"机制进行增殖，其生命周期与逆转录病毒相似。为了应对这些"基因组寄生虫"的潜在危害，宿主进化出了多种抑制策略，包括表观遗传抑制、DNA甲基化和piRNA介导的沉默等。在动物性腺中，PIWI相互作用RNA(piRNA)通路在转座子抑制中发挥核心作用。然而，这些转座子也发展出了各种巧妙策略来逃避宿主的防御系统，实现高效增殖。

上海科技大学的研究人员在研究果蝇卵子发生过程中转座子活性时，观察到一个有趣的现象：在转座子活跃的卵巢中，中期阶段的卵母细胞明显小于对照组。通过系统研究，他们发现一个特定的长末端重复(LTR)逆转录转座子3S18是导致这一表型的主要原因。研究发现3S18的mRNA和其整合酶(integrase)会在细胞间桥处组装成微米级的核糖核蛋白(RNP)聚集体，称为TARCOs。这些聚集体的形成会阻碍宿主物质的运输，导致中期卵子发生延长。令人惊讶的是，抑制TARCOs形成的突变体会显著降低3S18 mRNA水平，表明这些聚集体对保护逆转录转座子产物具有重要功能。研究还发现，强制延长卵子发生会显著增强3S18的增殖。这项研究揭示了3S18的独特特性及其对宿主发育的影响，可能为其他寄生元件（包括病毒）的研究提供新的思路。相关成果发表在《Cell Reports》杂志。

研究人员主要采用了以下关键技术方法：1)利用piRNA通路核心组分（如Aubergine和Rhino）的缺失来激活转座子；2)构建3S18-GFP报告系统实时追踪转座子动态；3)通过免疫荧光和RNA-FISH技术定位3S18 mRNA和蛋白；4)采用活细胞成像观察细胞质流动和物质运输；5)利用温度调控延长卵子发生过程；6)通过高通量测序分析转座子活性和新转座事件。

研究结果部分主要包括以下发现：

"逆转录转座子激活导致中期卵母细胞变小"部分显示，在转座子活跃的卵巢中，中期卵母细胞比对照组小45%，而早期和成熟卵母细胞大小相当。通过特异性在不同阶段敲除piRNA通路组分，研究人员确认这一表型是由转座子激活而非其他生理功能引起的。

"逆转录转座子3S18是导致小卵母细胞表型的主要原因"部分发现，在多种被激活的转座子中，3S18对表型的贡献最大。与分散分布的其他转座子不同，3S18 mRNA形成大型聚集体，不仅富集在卵母细胞中，也存在于特定部位的滋养细胞质中。研究人员构建了带有GFP标签的全长3S18报告系统，发现3S18整合酶在卵母细胞和滋养细胞中均有表达，并与mRNA信号完美重叠，表明形成了RNP复合物。这些聚集体主要定位于连接滋养细胞和卵母细胞的环管(ring canal)附近。

"检查点通路破坏抑制TARCO形成并导致3S18 mRNA显著减少"部分显示，破坏检查点激酶Chk2可显著减少TARCOs的形成，并意外地导致3S18 mRNA水平下降88%。RNA测序证实这一现象是3S18特异的，其他活跃转座子如blood不受影响。检查点破坏还恢复了细胞质流动和卵母细胞大小，并显著改善了转座子活跃胚胎的极性缺陷。

"TARCOs通过Egl作为适配体被主动运输到卵母细胞"部分发现，动力蛋白(dynein)及其适配蛋白Egl都富集在TARCOs中。实时追踪显示TARCOs并非终点，而是动态地向卵母细胞移动。Egl缺失导致TARCOs分布分散，并伴随3S18 mRNA水平显著降低，提示聚集体形成对保护转座子产物很重要。

"TARCO积累阻碍宿主货物运输从而导致中期卵母细胞变小"部分通过活体成像证明，3S18 RNP聚集体的积累会阻碍包括RNPs、脂滴和细胞器在内的多种宿主货物运输，导致卵母细胞生长受限。敲除3S18可清除堵塞，恢复物质运输。

"强制延长卵子发生增强逆转录转座子传播"部分发现，降低培养温度延长卵子发生时间可显著增加3S18的转座事件，而对大多数其他转座子则产生抑制作用。RNA测序显示延长卵子发生时间增加了3S18和I-element的转录水平，可能是由于TARCO的保护作用。

在讨论部分，研究人员指出3S18通过形成TARCOs延长宿主卵子发生中期的策略具有双重意义：一方面为自身增殖争取更多时间，另一方面可能帮助适应寒冷环境。与大多数转座子不同，3S18对检查点破坏表现出独特的敏感性，其mRNA水平会因TARCO形成受阻而显著下降。研究还发现哺乳动物卵子发生与果蝇具有相似性，提示这一发现可能具有更广泛的生物学意义。

这项研究由Dan Shen、Yaqian Xu等研究人员完成，通讯作者为上海科技大学的Kun Dou。研究得到了中国国家自然科学基金等项目的支持。该工作不仅揭示了特定逆转录转座子与宿主相互作用的独特机制，也为理解其他寄生元件的生存策略提供了新视角。特别是发现转座子产物可以在整合前就影响宿主发育过程，这一认识将推动对转座子生物学更深入的研究。