转座子衍生嵌合RNA的结构与功能景观

《RNA Biology》：The architectural and functional landscape of transposon-derived chimeric RNAs

　　

本综述系统地审视了转座元件（TE）衍生嵌合RNA的结构与功能景观，将其分为三大类别：TE-编码基因嵌合体、TE-长链非编码RNA（lncRNA）嵌合体以及TE-TE嵌合体。研究人员阐述了其生物发生的四种潜在分子机制：转录通读伴随顺式剪接、TE衍生调控元件的启动子劫持、独立转录本的反式剪接以及TE基因组位点的表观遗传调控。在功能上，TE及其嵌合RNA可通过不同层面协同参与基因组调控：它们通过替代启动子重塑天然基因表达模式，将新的功能结构域引入蛋白质和lncRNA，并形成整合的转录调控网络。这些嵌合转录本在早期胚胎发育、干细胞潜能、分化或病理状态中发挥关键作用。展望未来，长读长测序和基因组靶向技术有望揭示TE衍生嵌合RNA的功能和治疗应用。总体而言，本综述确立了TE衍生嵌合RNA作为转录组创新、进化适应和疾病病因学的基础驱动因素，桥接了基础基因组生物学与生理学及临床转化之间的关系。

1. 1.
   引言

转座元件（TE）是广泛存在的重复序列，约占人类基因组的45%和小鼠基因组的近40%。根据转座机制，TE分为两大类：I类逆转录转座子通过复制-粘贴机制进行转座，在转座过程中扩增自身；II类DNA转座子通过剪切-粘贴机制移动。TE在基因组和转录组水平发挥多层次的调控作用。在基因组层面，TE作为顺式调控元件的动态储备库，提供细胞类型特异性增强子、替代启动子、剪接供体/受体位点或多聚腺苷酸化信号。TE的全基因组分布使其能够充当结构DNA锚点，通过介导长程染色质环化、重塑拓扑关联结构域边界以及调节活性与非活性染色质区室的分离来塑造三维染色质组织。除了DNA层面的作用，转录的TE RNA是哺乳动物转录组的关键塑造者，占总转录组的相当比例，并在早期胚胎发育期间高表达。TE衍生转录本不仅通过形成嵌合序列和新异构体极大地扩展了转录组序列复杂性，还可通过与染色质修饰因子和RNA结合蛋白的相互作用对全局基因表达程序发挥反式调控作用，这在进化过程中逐步重连了基因调控网络。

TE衍生嵌合RNA研究的意义超越了基础科学，延伸到临床应用。由于逆转录转座子在物种特异性转录组中高表达并具有功能和调控影响，理解TE衍生嵌合RNA的生物学可能推动新型诊断标志物和治疗靶点的开发。TE衍生嵌合RNA在生理过程中具有重要功能，如干细胞维持和细胞分化，这为干细胞研究和再生医学开辟了新途径。

1. 2.
   TE衍生嵌合RNA的多样性

嵌合RNA的分类主要由其亲本序列的性质和所包含的结构基序决定。本文将TE衍生嵌合RNA主要根据与TE融合的序列伙伴进行分类，建立了区分TE-编码基因、TE-lncRNA和TE-TE嵌合体的结构框架。

2.1 TE-编码基因嵌合体

TE序列可直接整合到蛋白质编码序列中，这一过程称为外显子化，可显著扩展生物体的转录组和蛋白质组多样性。TE序列可整合到5'非翻译区（UTR）、内部外显子或3' UTR中。整合的结果可能是产生新的蛋白质异构体或改变天然表达动态。当发生外显子化时，TE序列可整合到蛋白质序列中，产生具有改变的分子功能、蛋白质-蛋白质相互作用谱或亚细胞定位的新序列结构域的嵌合蛋白。许多TE外显子化事件与人类恶性肿瘤相关。一个典型例子是LINE1-MET嵌合体，源于MET基因第二个内含子中LINE1元件的外显子化，与侵袭性乳腺癌特别是三阴性乳腺癌相关。TE-编码基因嵌合体在早期胚胎发育中也发挥重要作用，如MT2C_Mm驱动的与Pcgf5的嵌合转录本在小鼠合子基因组激活（ZGA）期间特异性表达，对于组蛋白修饰沉积和全局表观遗传编程至关重要。

2.2 TE-lncRNA嵌合体

TE-lncRNA嵌合体是另一类重要的TE衍生嵌合转录本，在基因调控中发挥关键作用。TE衍生序列可为lncRNA提供额外模块化结构域，改变其稳定性、亚细胞定位和分子相互作用。TE序列贡献了真核生物中lncRNA序列的很大比例，约66%-83%的哺乳动物lncRNA至少含有一个TE衍生片段。在人类中，特定内源性逆转录病毒（ERV）亚家族在lncRNA序列中显著富集，例如HERVH家族是多能干细胞lncRNA库的主要贡献者。LINE1元件特别擅长生成此类嵌合体，其反义启动子可驱动由LINE1序列与邻近基因组序列融合组成的嵌合转录本的转录。

2.3 TE-TE嵌合体

TE-TE嵌合体是近期观察到的一类嵌合RNA。一项里程碑研究发现，内源性逆转录病毒HERVL亚家族的LTR——MLT2A1，可在人类ZGA期间通过与异源TE融合产生TE-TE嵌合RNA。这些MLT2A1衍生嵌合体形成协调的RNA网络，所有分子共享保守的5' MLT2A1序列但拥有独特的3'序列，这种“保守头+可变尾”结构使这些嵌合RNA能够实现功能分工。此外，复合转座子代表在DNA水平上由不同TE进化融合形成的基因组元件，如SVA转座子和LTR-LINE1元件。

1. 3.
   嵌合RNA形成的分子机制

3.1 转录通读和顺式剪接

最常见的嵌合RNA形成机制是通过邻近基因组元件的转录通读随后进行顺式剪接。RNA聚合酶II（Pol II）无法识别典型的终止信号，继续转录进入基因间区和下游元件，产生跨越多个位点的大前体mRNA，随后的剪接事件常从多个典型转录本生成嵌合RNA。TE含有丰富的隐蔽剪接供体和受体位点，可被剪接体识别导致TE外显子化。

3.2 启动子劫持

启动子劫持是一种通过隐蔽调控元件激活基因或基因组元件转录的机制，独立于其天然启动子。LINE1反义启动子是启动子介导嵌合体形成的典型例子，进化上较近的LINE1逆转录转座子具有双向启动子，反义启动子可从LINE1 5' UTR起始转录并延伸至附近序列。TE的启动子劫持也是哺乳动物胚胎发生中驱动早期胚胎特异性基因表达的重要机制。

3.3 反式剪接和非经典融合

反式剪接是一种独特的转录后机制，来自不同RNA分子的外显子连接在一起形成嵌合转录本。反式剪接需要剪接连接处或其附近的序列进行碱基配对以形成短RNA双链体，从而促进不同RNA分子的连接。高拷贝TE家族可能提供序列基序驱动独立转录本之间的分子间RNA双链体形成，满足反式剪接的结构先决条件。

3.4 表观遗传调控

TE衍生嵌合RNA的形成高度依赖于表观遗传景观。通常TE被DNA甲基化和抑制性组蛋白标记沉默。当这一表观遗传屏障放松时，如在早期胚胎发生中的全局DNA去甲基化或肿瘤发生过程中，TE启动子和剪接位点变得可及。早期发育特异性的TE激活是TE衍生嵌合RNA形成的先决条件。

1. 4.
   嵌合RNA的生物学功能

4.1 TE重塑天然转录本的表达模式

作为嵌入天然转录本的外源模块，TE深刻重塑其融合转录本的表达模式。最典型的TE衍生启动子包括LTR和LINE1衍生启动子，两者均可绕过典型启动子并在新背景下激活下游基因。ERV可作为替代启动子驱动人类癌症中的致癌转录。

4.2 TE改变现有基因的功能结构域

嵌入的TE可作为“信号序列”指导含TE转录本的亚细胞定位。Alu衍生的RIDL结构域在众多lncRNA中发挥核定位信号的作用。TE插入还通过招募RNA修饰酶和RNA结合蛋白来调节嵌合RNA稳定性。在5' UTR中，TE插入可引入上游开放阅读框（uORF），改变主编码序列的翻译效率。

4.3 TE嵌合转录本之间整合功能的出现

近年证据表明，TE衍生嵌合RNA作为凝聚的分子单元发挥作用，执行单个分子无法实现的整合调控结果。共享相同TE亚家族序列的转录本可能协调整个融合基因群体，建立可能产生全局效应的网络。在DNA层面，复合转座子如SVA元件作为进化上固定的TE-TE融合体，充当整合的调控单元。

1. 5.
   总结

嵌合RNA的分类已远远超出传统观点，现在认识到包括TE-编码基因、TE-lncRNA和TE-TE嵌合体等多个类别。嵌合RNA形成的机制日益清晰，涵盖转录通读、启动子劫持、反式剪接和表观遗传调控等。在生物学功能方面，嵌合RNA在早期胚胎发育特别是ZGA中发挥关键作用，影响细胞命运决定和重编程过程，在癌症等疾病中可作为癌基因、肿瘤抑制因子或诊断生物标志物。

1. 6.
   结论与未来展望

TE衍生嵌合RNA代表了转录组的功能创新和多样性。未来需要进一步研究的方向包括：全面表征TE衍生嵌合RNA的多样性谱系；阐明调控嵌合RNA形成的调控机制；更详细地探索嵌合RNA表达的功能后果；以及研究嵌合RNA的进化意义。此外，TE衍生嵌合RNA的治疗潜力值得更多探索，新兴技术如CRISPR/Cas13系统、RNA治疗和基因编辑方法为治疗与TE嵌合RNA相关的疾病提供了新可能性。