科学家揭示了“自私DNA”在人类早期发育中的关键作用

西奈健康中心的研究人员发现，人类早期发育的一个关键转变不是由我们自己的基因控制的，而是由一种叫做转座子的DNA元素控制的，这种元素可以在基因组中移动。

这一非凡的发现挑战了我们之前对这些难以捉摸的DNA片段的理解，为它们在人类发育和疾病中所起的作用提供了新的视角。

“人们倾向于认为转座子类似于病毒，它们劫持我们的细胞的唯一目的是繁殖自己，”该研究的资深合著者Miguel Ramalho-Santos博士说。

“但在这里，我们发现这些元素不仅仅是基因组寄生虫，而且对早期发育至关重要，”Ramalho-Santos博士说，他是加拿大150名发育表观遗传学研究主席。

他们发表在《发育细胞》（Developmental Cell）杂志上的研究表明，转座因子对于确保人类胚胎细胞在早期正常发育（而不是回到过去）至关重要。

研究人员专注于被称为LINE-1的转座元素，即长时间散布的核元素-1。我们自己的基因只占我们基因组的不到2%，而line -1元素在我们细胞中的遗传物质中占了惊人的20%。一些LINE-1元素可以在基因组中扩增和移动，将自己插入新的位置。因为它们以一种可以破坏正常基因功能的方式自行传播，这为它们赢得了“自私DNA”的绰号。

多年来，科学家们认为这些元素大多是有害的，偶尔会对基因组造成严重破坏，并导致血友病、神经系统疾病和癌症等多种疾病。

该研究的资深合著者、博士后Juan Zhang最初发现，LINE-1 RNA信息在早期胚胎中非常丰富，这很有趣。RNA信息分子是从活跃的基因组部分转录出来的，这表明LINE-1元素在这些关键的早期阶段被打开。

“如果转座子是有害和危险的，为什么我们看到它们在早期胚胎中活跃？”这是一个刚开始形成的胚胎。在这一点上，任何对基因组的危险插入都将在个体的其余发育过程中传播，”张博士说。

当张博士在培养的人类胚胎干细胞（ESCs）中抑制LINE-1表达时，逆转发生了，使它们回到更原始的8细胞阶段。此时，这8个细胞中的每一个都是相同的和全能性的，能够发育成胚胎和胎盘。然而，在这一阶段之后，虽然ESCs仍然可以形成所有的胎儿细胞，但它们对胎盘的贡献越来越少，胚胎通过胎盘从母亲那里获得营养。

进一步的实验表明，这些LINE-1信息分子作为一个支架，在细胞核的三维空间中组织DNA。它们帮助19号染色体转移到8细胞阶段的关键基因——细胞核的基因沉默区域，确保胚胎能够顺利进入后续阶段。

“我们发现LINE-1在一个关键的转折点上调节基因表达，在这个转折点上胚胎开始将细胞特化以实现各种功能。我们的研究结果表明，这不是偶然发生的，而是一种重要的进化机制。”

更令人惊讶的是，LINE-1元素的新角色偏离了它们跳到新的基因组位置的典型行为，从而导致潜在的有害突变。相反，在这种关键的背景下，LINE-1元素只促进发育进程，这种独特的作用强调了它们在早期人类生长中的重要性。

这项基础研究对生育治疗和干细胞在再生医学中的应用具有重要意义。此外，这项工作揭示了LINE1的新作用，现在可以在从神经系统疾病到癌症的疾病背景中探索LINE1。

LTRI主任兼西奈健康研究副总裁Anne-Claude Gingras博士说：“这项研究强调了有多少东西需要学习，不仅是关于人类发展，而且关于这些神秘的基因组元件，它们的作用才刚刚开始显现。我祝贺我的同事们在人类生物学的这一引人入胜的见解方面取得了新的突破，我热切地期待着他们在继续他们的工作时能有更多的发现。”