文|明月故人尋
編輯|明月故人尋
前言
轉座因子(TEs)既是基因組進化的重要驅動因素，也是對宿主适應性具有潛在顯著影響的遺傳寄生蟲。
最近對調節性RNA的研究表明，小RNA介導的沉默是一種保守的遺傳機制，宿主通過它抑制TE活性，入侵了黑腹果蠅基因組由P元素，這發生在一個曆史的時間尺度，代表了一個無與倫比的機會，以了解小RNA介導的沉默來觀察TEs如何演變。
壓制P元素換位幾乎與它的入侵同時出現，最近的研究表明，這種抑制是部分實作的，可能主要是通過Piwi-互相作用RNA (piRNA)途徑實作的，piRNA是一種小RNA介導的沉默途徑，在許多後生動物種系中調節TE活性。
在這次審查中，我認為P-從分子和進化遺傳學的角度來看元素入侵，調和了PpiRNA途徑提供的新機制架構的元素調節。
進一步探讨了P作為piRNA介導的沉默進化的範例，鑒于piRNAs在調節TEs中高度保守的作用，來自該系統的發現對抑制的進化具有廣泛的分類學意義。
P-元素結構和換位
全長的P元素由夾在5’和3’末端的多個反向重複之間的蛋白質編碼基因，編碼基因有四個外顯子，0、1、2和3，它們交替剪接産生兩種蛋白質。
去除所有三個内含子産生編碼87-kDa轉座酶的轉錄物，這是轉座所必需的，相比之下，保留外顯子2和3之間的内含子的轉錄物編碼66-kDa蛋白，沒有轉座酶活性。
p轉座酶催化P通過非複制的“剪切和粘貼”機制，它們從一個基因組位置切除并插入到另一個，全長元件自主轉座，因為它們編碼這種酶。
内部缺失的元件不編碼轉座酶，然而，這些非自治元素可以在反式如果轉座酶由基因組别處的全長元件提供5’和3’末端的多個序列P動員他們需要要素。
特别是，元件兩端的10bp共有序列被P轉座酶并且是有效換位所需要的。
元素轉座主要發生在種系中，估計轉座率為10−1到10−3，相比之下，P-元素活性在體細胞組織中很少見，估計切除率比生殖細胞低兩個數量級以上。
種系特異性的轉座由p-轉座酶信使核糖核酸，盡管完全剪接的轉座酶編碼轉錄物在種系中占優勢，但體細胞轉錄物通常保留IVS3并編碼66-kDa蛋白。
修改P删除了IVS3的元素足以使體細胞切除達到類似于在種系中觀察到的水準，這與剪接調節在抑制體細胞中P活性中的主導作用一緻。
然而，在活生物體内分析表明，當身體活動恢複時P{Δ2-3}編碼66-kDa蛋白質的轉基因降低了體細胞切除率，表明蛋白質産物作為體細胞轉座的次級阻遏物。
阻抑蛋白對種系的調節
盡管IVS3保留轉錄物主要在體細胞中産生，但它們在雌性種系中也以較低的頻率出現，如66-kDa阻遏蛋白。
此外，一些内部删除P元件編碼截短的轉座酶蛋白，類似于66-kDa蛋白，作為轉座的阻遏物，不同于全長P然而，從内部缺失的元件産生阻遏蛋白并不依賴于選擇性剪接。
阻遏蛋白在結構和序列上各不相同，但大緻分為兩類。
包括66-kDa蛋白的I型阻遏物由轉錄物編碼，轉錄物包括外顯子0-2和IVS3的至少前9個核苷酸，相比之下，II型阻遏物要短得多，并且由僅包含外顯子0和部分外顯子1的轉錄物編碼。
值得注意的是P已經在天然群體中觀察到編碼II型阻遏物的元件，已知I型阻遏物僅來自全長元件和通過突變分析産生的缺失變體。
編碼I型和II型阻遏物降低切除率P元素在活生物體内。盡管阻抑蛋白作用的确切機制尚不清楚，但它們被認為是P轉錄的競争性抑制劑。
P轉座酶識别的10bp共有序列與P啟動子處的TATA盒重疊，導緻P轉座酶抑制轉錄因子IID的結合和随後的RNA聚合酶募集。
在I型和II型阻遏物中都發現了P轉座酶的位點特異性結合結構域，并且根據經驗已知II型阻遏物保留結合親和力。
是以，阻抑蛋白也可以作為轉錄的競争性抑制劑，轉錄調節受到以下因素的支援在活生物體内化驗。
II型阻遏物降低種系表達的活性普拉茨記者，并且兩種類型的阻遏物都降低燒焦的-弱，一個P種系表達基因的-元件插入等位基因燒焦，在試管内分析進一步表明，II型阻遏物通過與全長P轉座酶。
piRNA通路強烈抑制P中的元素和其他TEsD.黑胃動物生殖系，與其他RNA介導的沉默途徑類似，piRNA介導的沉默依賴于靶向沉默的小指導RNA和強制沉默的蛋白質。
除了TE調節之外，piRNA途徑還執行多種生物學功能，這些功能在别處被全面綜述，然而，piRNA途徑在調節TEs中的作用尤其明顯，其中piRNA絕大多數來源于TE，PIR na途徑成分的突變導緻TE轉錄物的顯著上調、DNA損傷和不育。
果蠅piRNA途徑在雄性和雌性種系中，以及在卵巢的體細胞支援細胞，piRNA介導的沉默被TE來源的反義pi RNA靶向，該反義pi RNA在序列上與TE來源的mRNAs互補。
反義piRNAs充當兩種Piwi-Argonaute蛋白Piwi和Aubergine的向導，它們強制同源TEs，如下圖所示。
Piwi和Aub在它們的細胞定位、種系特異性和沉默機制方面是不同的。
Aub是一種細胞質蛋白，僅在種系中強制轉錄後沉默，Aub可以通過mRNA的切片切割直接沉默靶轉錄物，并間接地通過與mRNA降解機制的組分。
相比之下，Piwi是一種在生殖系和卵巢體細胞濾泡細胞中建立轉錄沉默的核蛋白，Piwi可以通過促進抑制性組蛋白甲基化标記H3K9me3，并且通過抑制激活标記H3K4me2的沉積在TE位點。
piRNAs來源于特定的異色基因座
單個TE家族的piRNA調節依賴于piRNA簇中至少一個代表性插入的存在，PIR na簇是産生PIR na，piRNA簇可以特别大,并且通常包含來自多個TE和重複家族的插入。
這些簇被轉錄為長前體，其随後被加工成成熟的piRNAs，142個帶注釋的piRNA簇中的大多數D.黑胃動物基因組位于着絲粒周圍和亞着絲粒異染色質。
大多數piRNA簇由H3K9me3表觀遺傳學定義，h3k9me 3是一種通常與組成性異染色質，有些違反直覺的是，H3K9me3并沒有賦予piRNA簇轉錄沉默狀态，而是通過募集參與piRNA簇轉錄和前體加工的蛋白質。
H3K9me3在定義piRNA簇中的作用可以解釋為什麼TE家族的常染色體插入，通過H3K9me3的沉積被piRNA轉錄沉默，有時表現得像PIR na簇；從兩條基因組鍊産生豐富的piRNAs。
雖然來自少數簇的piRNA生産似乎是遺傳硬連線的，但是大多數簇至少部分依賴于母系沉積的piRNA來前饋子代種系中的PIR na生産。
母系沉積的piRNAs被發現與Piwi和Aub複合，其在發育胚胎中定位于原始種系，是以提供了跨代沉默的機制。
piRNA-Piwi複合物靶向包裝與用于H3K9me3修飾的piRNA同源的序列的核小體，進而促進子代中piRNA簇的建立，因為H3K9me3不是組成性異染色質外的常見染色質标記，是以它的piRNA介導的沉積在常染色質和兼性異染色質環境中建立簇時可能特别重要。
母系沉積的piRNA通過啟動piRNA前體轉錄物的加工進一步增強子代中PIR na的産生。
具體而言，母體沉積的piRNA-Aub複合物被認為啟動了乒乓循環，産生有義和反義piRNA的種系特異性前饋擴增環。
當反義piRNA-Aub複合物通過切片切割，産生的切割産物被進一步加工成有義piRNAs，其被裝載到第三種Piwi-Argonaute蛋白，Argonaute-3。
與Ago-3複合的有義piRNAs反過來可以識别和切割反義前體，進而産生更多的反義piRNAs，這些反義PIR nas可以重新啟動循環。
盡管piRNA生物發生有多種機制，乒乓循環産生大部分生殖系piRNAs，并且對于許多TE家族的調節是不可或缺的。
乒乓擴增被認為代表了piRNA介導的沉默的适應性特征，通過使用TE衍生的mRNAs作為乒乓底物，來自最具轉錄活性的TE的piRNA生産得到增強，進而增加了那些最有可能轉座。
最初迹象P-元素入侵出現在20世紀70年代末和80年代初，當時多名研究人員報道了野生來源染色體的異常行為，包括雄性重組的存在和出乎意料的高突變率。
F一一些種内雜交的後代随後被證明經曆雜種發育障礙：一種種系特異性綜合征，由以下原因引起P-元素活動。
基因異常表型包括雄性重組和升高的突變，而且增加了雌性重組、分離扭曲、不育和性腺萎縮，特别是卵巢萎縮提供了一個簡單的P活性表型分析，這有助于證明P元素在世界各地的人群中傳播，它還允許檢測和基因解剖P-元素調節。
雜種發育不良是由P-元素活動
基因異常的頻率一特定雜交産生的後代取決于父方和母方的基因型，在傳統的命名法中P元素誘導的雜種發育障礙，有兩種類型的菌株:M和P，當P菌株是父本，M菌株是母本時，雜種後代是發育障礙的。
然而，在互相雜交中，M-品系雄性與P-品系雌性交配，産生完全可育的、無基因缺陷的後代，基因異常的種系中突變率的增加為我們發現P作為可移動遺傳實體的元素，其活動誘發雜交發育障礙綜合征。
發育障礙誘導的等位基因的序列分析顯示，導緻突變的是DNA元件的插入，它們彼此之間表現出高度的序列相似性。
因為這些元素在P-菌株基因組中很豐富，但在M-菌株基因組中很少或不存在，是以它們被稱為P元素。
非典型M菌株，稱為M’，被觀察到含有P元素；然而，幾乎所有這些元件都有内部缺失，是以在沒有自主拷貝的情況下是不動的。
增加的示範P轉基因種系中的β-元件轉錄和轉座進一步固化P作為雜種發育障礙的分子原因的元素。
結語
這P-元素侵入D.黑胃動物基因組推進了我們對te和它們的宿主之間發生的進化動力學的了解，特别是，曆史時間表的P元素入侵為剖析壓抑的進化提供了一個強有力的機會D.模拟人允許在獨立的遺傳譜系中進行平行比較。
最近piRNA途徑的發現為更深入地了解宿主基因組如何通過揭示抑制進化的分子和遺傳架構來應對新TEs的入侵鋪平了道路。
對piRNA介導的沉默的進化的見解來自于P-元素侵入D.黑胃動物很可能具有超出這一特定系統的普遍意義。piRNA介導的TEs調節在後生動物中非常保守。
這些基因組區域為入侵TE的随機插入提供了相當大的突變目标，同時也避免了新插入破壞蛋白質編碼基因等功能序列的可能性。如果新的小RNA編碼區經常通過表位突變出現，這将進一步加速沉默的進化。
是以P-元素入侵D.黑胃動物通過小RNA依賴的和獨立的機制提供了檢查TE調節的同時進化的機會。