文|明月故人寻
编辑|明月故人寻
前言
转座因子(TEs)既是基因组进化的重要驱动因素，也是对宿主适应性具有潜在显著影响的遗传寄生虫。
最近对调节性RNA的研究表明，小RNA介导的沉默是一种保守的遗传机制，宿主通过它抑制TE活性，入侵了黑腹果蝇基因组由P元素，这发生在一个历史的时间尺度，代表了一个无与伦比的机会，以了解小RNA介导的沉默来观察TEs如何演变。
压制P元素换位几乎与它的入侵同时出现，最近的研究表明，这种抑制是部分实现的，可能主要是通过Piwi-相互作用RNA (piRNA)途径实现的，piRNA是一种小RNA介导的沉默途径，在许多后生动物种系中调节TE活性。
在这次审查中，我认为P-从分子和进化遗传学的角度来看元素入侵，调和了PpiRNA途径提供的新机制框架的元素调节。
进一步探讨了P作为piRNA介导的沉默进化的范例，鉴于piRNAs在调节TEs中高度保守的作用，来自该系统的发现对抑制的进化具有广泛的分类学意义。
P-元素结构和换位
全长的P元素由夹在5’和3’末端的多个反向重复之间的蛋白质编码基因，编码基因有四个外显子，0、1、2和3，它们交替剪接产生两种蛋白质。
去除所有三个内含子产生编码87-kDa转座酶的转录物，这是转座所必需的，相比之下，保留外显子2和3之间的内含子的转录物编码66-kDa蛋白，没有转座酶活性。
p转座酶催化P通过非复制的“剪切和粘贴”机制，它们从一个基因组位置切除并插入到另一个，全长元件自主转座，因为它们编码这种酶。
内部缺失的元件不编码转座酶，然而，这些非自治元素可以在反式如果转座酶由基因组别处的全长元件提供5’和3’末端的多个序列P动员他们需要要素。
特别是，元件两端的10bp共有序列被P转座酶并且是有效换位所需要的。
元素转座主要发生在种系中，估计转座率为10−1到10−3，相比之下，P-元素活性在体细胞组织中很少见，估计切除率比生殖细胞低两个数量级以上。
种系特异性的转座由p-转座酶信使核糖核酸，尽管完全剪接的转座酶编码转录物在种系中占优势，但体细胞转录物通常保留IVS3并编码66-kDa蛋白。
修改P删除了IVS3的元素足以使体细胞切除达到类似于在种系中观察到的水平，这与剪接调节在抑制体细胞中P活性中的主导作用一致。
然而，在活生物体内分析表明，当身体活动恢复时P{Δ2-3}编码66-kDa蛋白质的转基因降低了体细胞切除率，表明蛋白质产物作为体细胞转座的次级阻遏物。
阻抑蛋白对种系的调节
尽管IVS3保留转录物主要在体细胞中产生，但它们在雌性种系中也以较低的频率出现，如66-kDa阻遏蛋白。
此外，一些内部删除P元件编码截短的转座酶蛋白，类似于66-kDa蛋白，作为转座的阻遏物，不同于全长P然而，从内部缺失的元件产生阻遏蛋白并不依赖于选择性剪接。
阻遏蛋白在结构和序列上各不相同，但大致分为两类。
包括66-kDa蛋白的I型阻遏物由转录物编码，转录物包括外显子0-2和IVS3的至少前9个核苷酸，相比之下，II型阻遏物要短得多，并且由仅包含外显子0和部分外显子1的转录物编码。
值得注意的是P已经在天然群体中观察到编码II型阻遏物的元件，已知I型阻遏物仅来自全长元件和通过突变分析产生的缺失变体。
编码I型和II型阻遏物降低切除率P元素在活生物体内。尽管阻抑蛋白作用的确切机制尚不清楚，但它们被认为是P转录的竞争性抑制剂。
P转座酶识别的10bp共有序列与P启动子处的TATA盒重叠，导致P转座酶抑制转录因子IID的结合和随后的RNA聚合酶募集。
在I型和II型阻遏物中都发现了P转座酶的位点特异性结合结构域，并且根据经验已知II型阻遏物保留结合亲和力。
因此，阻抑蛋白也可以作为转录的竞争性抑制剂，转录调节受到以下因素的支持在活生物体内化验。
II型阻遏物降低种系表达的活性普拉茨记者，并且两种类型的阻遏物都降低烧焦的-弱，一个P种系表达基因的-元件插入等位基因烧焦，在试管内分析进一步表明，II型阻遏物通过与全长P转座酶。
piRNA通路强烈抑制P中的元素和其他TEsD.黑胃动物生殖系，与其他RNA介导的沉默途径类似，piRNA介导的沉默依赖于靶向沉默的小指导RNA和强制沉默的蛋白质。
除了TE调节之外，piRNA途径还执行多种生物学功能，这些功能在别处被全面综述，然而，piRNA途径在调节TEs中的作用尤其明显，其中piRNA绝大多数来源于TE，PIR na途径成分的突变导致TE转录物的显著上调、DNA损伤和不育。
果蝇piRNA途径在雄性和雌性种系中，以及在卵巢的体细胞支持细胞，piRNA介导的沉默被TE来源的反义pi RNA靶向，该反义pi RNA在序列上与TE来源的mRNAs互补。
反义piRNAs充当两种Piwi-Argonaute蛋白Piwi和Aubergine的向导，它们强制同源TEs，如下图所示。
Piwi和Aub在它们的细胞定位、种系特异性和沉默机制方面是不同的。
Aub是一种细胞质蛋白，仅在种系中强制转录后沉默，Aub可以通过mRNA的切片切割直接沉默靶转录物，并间接地通过与mRNA降解机制的组分。
相比之下，Piwi是一种在生殖系和卵巢体细胞滤泡细胞中建立转录沉默的核蛋白，Piwi可以通过促进抑制性组蛋白甲基化标记H3K9me3，并且通过抑制激活标记H3K4me2的沉积在TE位点。
piRNAs来源于特定的异色基因座
单个TE家族的piRNA调节依赖于piRNA簇中至少一个代表性插入的存在，PIR na簇是产生PIR na，piRNA簇可以特别大,并且通常包含来自多个TE和重复家族的插入。
这些簇被转录为长前体，其随后被加工成成熟的piRNAs，142个带注释的piRNA簇中的大多数D.黑胃动物基因组位于着丝粒周围和亚着丝粒异染色质。
大多数piRNA簇由H3K9me3表观遗传学定义，h3k9me 3是一种通常与组成性异染色质，有些违反直觉的是，H3K9me3并没有赋予piRNA簇转录沉默状态，而是通过募集参与piRNA簇转录和前体加工的蛋白质。
H3K9me3在定义piRNA簇中的作用可以解释为什么TE家族的常染色体插入，通过H3K9me3的沉积被piRNA转录沉默，有时表现得像PIR na簇；从两条基因组链产生丰富的piRNAs。
虽然来自少数簇的piRNA生产似乎是遗传硬连线的，但是大多数簇至少部分依赖于母系沉积的piRNA来前馈子代种系中的PIR na生产。
母系沉积的piRNAs被发现与Piwi和Aub复合，其在发育胚胎中定位于原始种系，因此提供了跨代沉默的机制。
piRNA-Piwi复合物靶向包装与用于H3K9me3修饰的piRNA同源的序列的核小体，从而促进子代中piRNA簇的建立，因为H3K9me3不是组成性异染色质外的常见染色质标记，所以它的piRNA介导的沉积在常染色质和兼性异染色质环境中建立簇时可能特别重要。
母系沉积的piRNA通过启动piRNA前体转录物的加工进一步增强子代中PIR na的产生。
具体而言，母体沉积的piRNA-Aub复合物被认为启动了乒乓循环，产生有义和反义piRNA的种系特异性前馈扩增环。
当反义piRNA-Aub复合物通过切片切割，产生的切割产物被进一步加工成有义piRNAs，其被装载到第三种Piwi-Argonaute蛋白，Argonaute-3。
与Ago-3复合的有义piRNAs反过来可以识别和切割反义前体，从而产生更多的反义piRNAs，这些反义PIR nas可以重新启动循环。
尽管piRNA生物发生有多种机制，乒乓循环产生大部分生殖系piRNAs，并且对于许多TE家族的调节是不可或缺的。
乒乓扩增被认为代表了piRNA介导的沉默的适应性特征，通过使用TE衍生的mRNAs作为乒乓底物，来自最具转录活性的TE的piRNA生产得到增强，从而增加了那些最有可能转座。
最初迹象P-元素入侵出现在20世纪70年代末和80年代初，当时多名研究人员报道了野生来源染色体的异常行为，包括雄性重组的存在和出乎意料的高突变率。
F一一些种内杂交的后代随后被证明经历杂种发育障碍：一种种系特异性综合征，由以下原因引起P-元素活动。
基因异常表型包括雄性重组和升高的突变，而且增加了雌性重组、分离扭曲、不育和性腺萎缩，特别是卵巢萎缩提供了一个简单的P活性表型分析，这有助于证明P元素在世界各地的人群中传播，它还允许检测和基因解剖P-元素调节。
杂种发育不良是由P-元素活动
基因异常的频率一特定杂交产生的后代取决于父方和母方的基因型，在传统的命名法中P元素诱导的杂种发育障碍，有两种类型的菌株:M和P，当P菌株是父本，M菌株是母本时，杂种后代是发育障碍的。
然而，在相互杂交中，M-品系雄性与P-品系雌性交配，产生完全可育的、无基因缺陷的后代，基因异常的种系中突变率的增加为我们发现P作为可移动遗传实体的元素，其活动诱发杂交发育障碍综合征。
发育障碍诱导的等位基因的序列分析显示，导致突变的是DNA元件的插入，它们彼此之间表现出高度的序列相似性。
因为这些元素在P-菌株基因组中很丰富，但在M-菌株基因组中很少或不存在，所以它们被称为P元素。
非典型M菌株，称为M’，被观察到含有P元素；然而，几乎所有这些元件都有内部缺失，因此在没有自主拷贝的情况下是不动的。
增加的示范P转基因种系中的β-元件转录和转座进一步固化P作为杂种发育障碍的分子原因的元素。
结语
这P-元素侵入D.黑胃动物基因组推进了我们对te和它们的宿主之间发生的进化动力学的理解，特别是，历史时间表的P元素入侵为剖析压抑的进化提供了一个强有力的机会D.模拟人允许在独立的遗传谱系中进行平行比较。
最近piRNA途径的发现为更深入地了解宿主基因组如何通过揭示抑制进化的分子和遗传框架来应对新TEs的入侵铺平了道路。
对piRNA介导的沉默的进化的见解来自于P-元素侵入D.黑胃动物很可能具有超出这一特定系统的普遍意义。piRNA介导的TEs调节在后生动物中非常保守。
这些基因组区域为入侵TE的随机插入提供了相当大的突变目标，同时也避免了新插入破坏蛋白质编码基因等功能序列的可能性。如果新的小RNA编码区经常通过表位突变出现，这将进一步加速沉默的进化。
因此P-元素入侵D.黑胃动物通过小RNA依赖的和独立的机制提供了检查TE调节的同时进化的机会。