毛洋 李曉宇

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

[關鍵詞] LINE-1;大腦;神經(jīng)系統(tǒng);逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)座子按照其轉(zhuǎn)座方式主要分為DNA轉(zhuǎn)座子和RNA轉(zhuǎn)座子兩大類：DNA轉(zhuǎn)座子利用自身編碼的轉(zhuǎn)座酶通過剪切、重新整合等過程將轉(zhuǎn)座基因從基因組的一個位置轉(zhuǎn)移到另一個位置，這類轉(zhuǎn)座子在轉(zhuǎn)座過程中不改變拷貝數(shù)，而只是改變其在基因組中的位置[1];RNA轉(zhuǎn)座子也被稱為逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子，它首先轉(zhuǎn)錄生成RNA作為中間體，然后逆轉(zhuǎn)錄生成cDNA再插入新的染色體位點，因此RNA轉(zhuǎn)座子在轉(zhuǎn)座過程中不但保留了原有位置的轉(zhuǎn)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(shù)轉(zhuǎn)座子都喪失了轉(zhuǎn)座的能力，目前唯一具有自主轉(zhuǎn)座能力的轉(zhuǎn)座子是逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)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(zhuǎn)導等方式影響其他基因的表達，嚴重地影響了基因組的穩(wěn)定性，甚至引起基因疾病和癌癥[3]。因此，宿主會對L1的轉(zhuǎn)座產(chǎn)生一系列的調(diào)控，包括表觀遺傳學修飾、非編碼小RNA干擾、宿主限制因子調(diào)控等[4]。之前的研究表明，大多數(shù)的逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座都發(fā)生在生殖細胞系及癌細胞中，而體細胞的轉(zhuǎn)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(jīng)系統(tǒng)的某些區(qū)域中，并產(chǎn)生相應影響。

1 神經(jīng)系統(tǒng)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(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子引起，這是因為它們能夠復制并轉(zhuǎn)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(jīng)祖細胞（neural progenitor cells，NPCs）中進行逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座，隨后多項研究同樣表明，逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)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(qū)的每個神經(jīng)元平均包含多達16和13.7個逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座相關的突變，這表明逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)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(nèi)源性逆轉(zhuǎn)錄因子L1的插入可以被認為是產(chǎn)生神經(jīng)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(jīng)元中通過引起基因組DNA序列和轉(zhuǎn)錄組的改變而形成神經(jīng)元的“基因組可塑性”，并由此影響神經(jīng)元的行為和可塑性，這種插入可能是大腦基因組多樣性產(chǎn)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(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座和記憶形成之間的關系。通過誘導小鼠海馬體中神經(jīng)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(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)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(lián)系仍然需要更有說服力的證據(jù)。

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

2 LINE-1與神經(jīng)系統(tǒng)疾病

近年來出現(xiàn)了一系列關于L1活動與神經(jīng)系統(tǒng)疾病相關的研究，已有實驗室發(fā)現(xiàn)L1的高度活躍與雷特綜合征（RTT）[9]、創(chuàng)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(diào)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(fā)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(diào)。它是一種由與基因沉默有關的甲基結(jié)合蛋白（methyl CpG binding protein 2，MeCP2）基因突變引起的神經(jīng)發(fā)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(zhuǎn)座進行負調(diào)控[9，16]。Muotri等[9]發(fā)現(xiàn)在NPCs中，MeCP2可以結(jié)合在L1啟動子中與甲基化DNA結(jié)合，并抑制其轉(zhuǎn)錄。實驗表明MeCP2基因敲除小鼠的神經(jīng)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(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)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(jīng)元L1逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)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(jié)果作為診斷依據(jù)。而在近幾年有研究發(fā)現(xiàn)L1與精神分裂癥之間或許有一定程度的關聯(lián)。

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(jīng)元中L1的拷貝數(shù)有所增加，并在全基因組測序后發(fā)現(xiàn)L1會插入到精神分裂癥和突觸功能相關的基因區(qū)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(fā)病機制路徑有關的基因中，L1插入到其蛋白質(zhì)編碼基因的ORF中，很有可能產(chǎn)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(cè)前額葉皮層（DLPFC）神經(jīng)元的基因中發(fā)生的。于是他們對L1插入的序列進行了分析，發(fā)現(xiàn)在PDS中，基因內(nèi)的新L1的比例在統(tǒng)計學上有顯著的提高，并發(fā)現(xiàn)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(nèi)ERI3基因中L1的測定中卻發(fā)現(xiàn)，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(jié)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(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子一旦插入到重要基因中，很有可能產(chǎn)生負面影響，與疾病產(chǎn)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(qū)域，BA9（額葉皮質(zhì)）、BA24（前扣帶）、BA22（聽覺處理）和小腦，發(fā)現(xiàn)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(jié)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(jīng)方面的疾病，在Doyle等[19]的研究中，發(fā)現(xiàn)L1的逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)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(jīng)系統(tǒng)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(jù)也顯示了腦中的L1轉(zhuǎn)座的重要性。

3 神經(jīng)系統(tǒng)對LINE-1的調(diào)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(fā)揮著不容忽視的作用。與其他體細胞相似，神經(jīng)系統(tǒng)同樣會對L1進行一系列的調(diào)控，目前已經(jīng)有充分證據(jù)顯示在神經(jīng)系統(tǒng)中轉(zhuǎn)錄因子Sox2和甲基結(jié)合蛋白MeCP2均會對L1進行調(diào)控。

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

除轉(zhuǎn)錄因子Sox2會對L1進行調(diào)節(jié)之外，DNA甲基化也可對L1的轉(zhuǎn)錄進行抑制。MeCP2是一種與基因沉默有關的甲基結(jié)合蛋白。2009年，Coufal等[20]研究發(fā)現(xiàn)MeCP2能夠在神經(jīng)發(fā)育過程中對L1進行調(diào)節(jié)。前文中也提及在Muotri等[9]的研究中發(fā)現(xiàn)，在NPCs中，MeCP2可以結(jié)合在L1啟動子中與甲基化DNA結(jié)合，并抑制其轉(zhuǎn)錄。Skene等[21]發(fā)現(xiàn)了MeCP2基因敲除小鼠的成熟神經(jīng)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(jīng)元中L1的表達。

目前研究發(fā)現(xiàn)在其他體細胞當中，有很多細胞蛋白會對L1轉(zhuǎn)座產(chǎn)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?qū)1的轉(zhuǎn)座產(chǎn)生作用仍待探究。

4 結(jié)語與展望

在神經(jīng)系統(tǒng)中，逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座并不罕見，它們高度活躍、高頻發(fā)生，在NPCs中的轉(zhuǎn)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(jīng)元產(chǎn)生相應影響，甚至神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育中的L1轉(zhuǎn)座可能導致神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育障礙等疾病。那么L1在人類大腦中為何高頻轉(zhuǎn)座，是否有其生理學意義？既然L1與神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育疾病具有密切聯(lián)系，那么是否能通過調(diào)控其逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座而對疾病進行治療？在現(xiàn)有的L1研究基礎上，設計開發(fā)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）