神經(jīng)系統(tǒng)中LINE-1轉(zhuǎn)座的研究進(jìn)展

毛洋 李曉宇

[摘要] 長(zhǎng)散在核重復(fù)序列1（LINE-1）屬于逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子，至今仍在人類(lèi)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(huì)引起基因組不穩(wěn)定，導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。通常宿主細(xì)胞運(yùn)用多種機(jī)制對(duì)其轉(zhuǎn)座進(jìn)行嚴(yán)格控制，所以LINE-1在大多數(shù)體細(xì)胞中是無(wú)活性的，然而近年來(lái)有研究證實(shí)在神經(jīng)元細(xì)胞中LINE-1可以表達(dá)并轉(zhuǎn)座，插入基因組的不同位置，導(dǎo)致每個(gè)神經(jīng)元細(xì)胞在基因水平上都是獨(dú)特的。此外，LINE-1的轉(zhuǎn)座可能在長(zhǎng)期記憶等方面具有一定生理學(xué)意義，也有可能產(chǎn)生一些病理影響。希望本文能對(duì)全面了解LINE-1在神經(jīng)系統(tǒng)中的情況提供一些線索。

[關(guān)鍵詞] LINE-1;大腦;神經(jīng)系統(tǒng);逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座

[中圖分類(lèi)號(hào)] R34? ? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A? ? ? ? ? [文章編號(hào)] 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(xì)胞基因組的重要組成部分，約占人類(lèi)基因組總量的45%，是一類(lèi)能在基因組移動(dòng)的DNA重復(fù)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(lèi)：DNA轉(zhuǎn)座子利用自身編碼的轉(zhuǎn)座酶通過(guò)剪切、重新整合等過(guò)程將轉(zhuǎn)座基因從基因組的一個(gè)位置轉(zhuǎn)移到另一個(gè)位置，這類(lèi)轉(zhuǎn)座子在轉(zhuǎn)座過(guò)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(chēng)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(diǎn)，因此RNA轉(zhuǎn)座子在轉(zhuǎn)座過(guò)程中不但保留了原有位置的轉(zhuǎn)座基因，而且還能將復(fù)制的拷貝插入基因組中的新位置[2]。在人類(lèi)基因組長(zhǎng)期的進(jìn)化過(guò)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(zhǎng)散在核重復(fù)序列1（long interspersed nuclear element-1，LINE-1，L1）[2]。

由于L1在人類(lèi)基因組中占有很高的比例（約17%），而活躍的L1又可以通過(guò)插入、缺失、重組和轉(zhuǎn)導(dǎo)等方式影響其他基因的表達(dá)，嚴(yán)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(huì)對(duì)L1的轉(zhuǎn)座產(chǎn)生一系列的調(diào)控，包括表觀遺傳學(xué)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(xì)胞系及癌細(xì)胞中，而體細(xì)胞的轉(zhuǎn)座則被嚴(yán)格抑制，然而近年來(lái)有研究表明，L1會(huì)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(yīng)影響。

1 神經(jīng)系統(tǒng)中LINE-1功能的初步研究

通常認(rèn)為每個(gè)人的每個(gè)細(xì)胞都有相同的基因組。實(shí)際上在個(gè)體的一生中，突變會(huì)在細(xì)胞中逐漸積累，每個(gè)細(xì)胞都包含一組獨(dú)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?yàn)樗鼈兡軌驈?fù)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(shí)了LINE-1會(huì)在哺乳動(dòng)物大腦的神經(jīng)祖細(xì)胞（neural progenitor cells，NPCs）中進(jìn)行逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座，隨后多項(xiàng)研究同樣表明，逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座相關(guān)的突變存在于人類(lèi)的腦細(xì)胞中。2015年，Upton等[6]利用單細(xì)胞RC-seq測(cè)得正常大腦皮層和海馬區(qū)的每個(gè)神經(jīng)元平均包含多達(dá)16和13.7個(gè)逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座相關(guān)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(shí)內(nèi)源性逆轉(zhuǎn)錄因子L1的插入可以被認(rèn)為是產(chǎn)生神經(jīng)元基因組多樣性的一種潛在機(jī)制。Singer等[7]認(rèn)為，新的體細(xì)胞L1的插入可能會(huì)在神經(jīng)元中通過(guò)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(jī)制。在其他生理學(xué)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(guān)系。通過(guò)誘導(dǎo)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(kāi)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(dá)。此外，作者進(jìn)一步研究了L1的激活在學(xué)習(xí)和記憶過(guò)程中的潛在作用，利用拉米夫定特異性阻斷L1表達(dá)發(fā)現(xiàn)對(duì)短期記憶沒(méi)有明顯影響，卻會(huì)損傷長(zhǎng)期記憶形成等認(rèn)知過(guò)程。但是由于在此研究中并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)ORF1的插入增加，也沒(méi)有在蛋白水平對(duì)L1進(jìn)行詳盡的測(cè)定，所以對(duì)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(shuō)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(guān)的疾病已有不少研究。

2 LINE-1與神經(jīng)系統(tǒng)疾病

近年來(lái)出現(xiàn)了一系列關(guān)于L1活動(dòng)與神經(jīng)系統(tǒng)疾病相關(guān)的研究，已有實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)L1的高度活躍與雷特綜合征（RTT）[9]、創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙（PTSD）[10]、精神分裂[10-11]、自閉癥[12]、抑郁癥[13]、共濟(jì)失調(diào)毛細(xì)血管擴(kuò)張癥[14]等具有很強(qiáng)的相關(guān)性。

2.1 LINE-1與雷特綜合征

RTT是一種嚴(yán)重影響兒童精神運(yùn)動(dòng)發(fā)育的疾病，臨床特征為進(jìn)行性智力下降、孤獨(dú)癥行為、刻板動(dòng)作及共濟(jì)失調(diào)。它是一種由與基因沉默有關(guān)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(bào)告表明MeCP2的一個(gè)作用可能是對(duì)L1的轉(zhuǎn)座進(jìn)行負(fù)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(dòng)子中與甲基化DNA結(jié)合，并抑制其轉(zhuǎn)錄。實(shí)驗(yàn)表明MeCP2基因敲除小鼠的神經(jīng)上皮細(xì)胞表達(dá)的L1 RNA比野生型對(duì)照組多4倍;此外，攜帶MeCP2基因突變的RTT患者，對(duì)L1逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)位的敏感性增加。故此研究認(rèn)為，與疾病相關(guān)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(jiàn)的精神病，目前病因未完全闡明，至今還沒(méi)有確切的實(shí)驗(yàn)室檢查或者化驗(yàn)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(guān)聯(lián)。

Bundo等[10]稱(chēng)在精神分裂癥患者的前額葉皮層和誘導(dǎo)多能干細(xì)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(cè)序后發(fā)現(xiàn)L1會(huì)插入到精神分裂癥和突觸功能相關(guān)的基因區(qū)域中。隨后有研究者證實(shí)，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(jī)制路徑有關(guān)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(guān)的基因變異以影響罹患精神分裂癥的風(fēng)險(xiǎn)[17]。

2017年，Doyle等[11]假設(shè)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(dá)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(duì)L1插入的序列進(jìn)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(jì)學(xué)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(guān)。但是Doyle等[18]在對(duì)歐洲裔美國(guó)人精神分裂癥患者體內(nèi)ERI3基因中L1的測(cè)定中卻發(fā)現(xiàn)，ERI3中L1的插入與精神分裂癥的表型無(wú)關(guān)，這與他們之前得出的結(jié)果相互矛盾。

雖然相關(guān)研究仍然需要進(jìn)一步推進(jìn)，但是從RTT以及精神分裂癥相關(guān)研究來(lái)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(fù)面影響，與疾病產(chǎn)生密切相關(guān)。

2.3 LINE-1與自閉癥

2018年，Shpyleva等[12]觀察了四個(gè)大腦區(qū)域，BA9（額葉皮質(zhì)）、BA24（前扣帶）、BA22（聽(tīng)覺(jué)處理）和小腦，發(fā)現(xiàn)在自閉癥患者的小腦中L1表達(dá)明顯上升，同時(shí)，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(dǎo)致了L1表達(dá)的增加。此外，也有報(bào)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(rèn)為這可能是L1插入引起的遺傳因素導(dǎo)致。雖然L1與各種神經(jīng)系統(tǒng)疾病之間的關(guān)系仍然需要進(jìn)一步研究證實(shí)，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(duì)LINE-1的調(diào)控

無(wú)論是在影響長(zhǎng)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(xì)胞相似，神經(jīng)系統(tǒng)同樣會(huì)對(duì)L1進(jìn)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(huì)對(duì)L1進(jìn)行調(diào)控。

轉(zhuǎn)錄因子Sox2是SOX區(qū)域Y相關(guān)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(dòng)物胚胎發(fā)育的必要因子之一，在早期胚胎神經(jīng)細(xì)胞中限制性表達(dá)，隨后發(fā)揮抑制神經(jīng)干細(xì)胞分化的作用。Muotri等[5]發(fā)現(xiàn)，Sox2可以與L1啟動(dòng)子相互作用，進(jìn)而抑制小鼠神經(jīng)干細(xì)胞中L1的表達(dá)，在神經(jīng)干細(xì)胞分化成NPCs的過(guò)程中，Sox2表達(dá)降低，L1轉(zhuǎn)錄激活，因此可能進(jìn)行逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座。

除轉(zhuǎn)錄因子Sox2會(huì)對(duì)L1進(jìn)行調(diào)節(jié)之外，DNA甲基化也可對(duì)L1的轉(zhuǎn)錄進(jìn)行抑制。MeCP2是一種與基因沉默有關(guān)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(guò)程中對(duì)L1進(jìn)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(dòng)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(dá)了更多的L1，因此認(rèn)為MeCP2的另一個(gè)功能可能是控制成熟神經(jīng)元中L1的表達(dá)。

目前研究發(fā)現(xiàn)在其他體細(xì)胞當(dāng)中，有很多細(xì)胞蛋白會(huì)對(duì)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(yǔ)與展望

在神經(jīng)系統(tǒng)中，逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座并不罕見(jiàn)，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(dá)，而這些基因表達(dá)的改變又會(huì)直接對(duì)神經(jīng)元產(chǎn)生相應(yīng)影響，甚至神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育中的L1轉(zhuǎn)座可能導(dǎo)致神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育障礙等疾病。那么L1在人類(lèi)大腦中為何高頻轉(zhuǎn)座，是否有其生理學(xué)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(guò)調(diào)控其逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座而對(duì)疾病進(jìn)行治療？在現(xiàn)有的L1研究基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)新的研究方法，進(jìn)一步探索相關(guān)機(jī)制，才能更好地理解L1在人類(lèi)大腦中的作用。

[參考文獻(xiàn)]

[1]? Beck CR，Garcia-Perez JL，Badge RM，et al. LINE-1 elements in structural variation and disease [J]. Annu Rev Genomics Hum Genet，2011，12：187-215.

[2]? Goodier JL，Kazazian HH Jr. Retrotransposons revisited：the restraint and rehabilitation of parasites [J]. Cell，2008，135（1）：23-35.

[3]? Richardson SR，Doucet AJ，Kopera HC，et al. The Influence of LINE-1 and SINE Retrotransposons on Mammalian Genomes [J]. Microbiol Spectr，2015，3（2）：MDNA3-0061-2014.

[4]? 劉茜，王瑾暉，李曉宇，等.逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子LINE-1與腫瘤的發(fā)生和發(fā)展[J].遺傳，2016，38（2）：93-102.

[5]? Muotri AR，Chu VT，Marchetto MC，et al. Somatic mosaicism in neuronal precursor cells mediated by L1 retrotransposition [J]. Nature，2005，435（7044）：903-910.

[6]? Upton KR，Gerhardt DJ，Jesuadian JS，et al. Ubiquitous L1 mosaicism in hippocampal neurons [J]. Cell，2015，161（2）：228-239.

[7]? Singer T，McConnell MJ，Marchetto MC，et al. LINE-1 retrotransposons：mediators of somatic variation in neuronal genomes？[J]. Trends Neurosci，2010，33（8）：345-354.

[8]? Bachiller S，Del-Pozo-Martin Y，Carrion AM. L1 retrotransposition alters the hippocampal genomic landscape enabling memory formation [J]. Brain Behav Immun，2017， 64：65-70.

[9]? Muotri AR，Marchetto MC，Coufal NG，et al. L1 retrotransposition in neurons is modulated by MeCP2 [J]. Nature，2010，468（7322）：443-446.

[10]? Bundo M，Toyoshima M，Okada Y，et al. Increased l1 retrotransposition in the neuronal genome in schizophrenia [J]. Neuron，2014，81（2）：306-313.

[11]? Doyle GA，Crist RC，Karatas ET，et al. Analysis of LINE-1 Elements in DNA from Postmortem Brains of Individuals with Schizophrenia [J]. Neuropsychopharmacology，2017， 42（13）：2602-2611.

[12]? Shpyleva S，Melnyk S，Pavliv O，et al. Overexpression of LINE-1 Retrotransposons in Autism Brain [J]. Mol Neurobiol，2018，55（2）：1740-1749.

[13]? Liu S，Du T，Liu Z，et al. Inverse changes in L1 retrotransposons between blood and brain in major depressive disorder [J]. Sci Rep，2016，6：37530.

[14]? Coufal NG，Garcia-Perez JL，Peng GE，et al. Ataxia telangiectasia mutated（ATM）modulates long interspersed element-1（L1）retrotransposition in human neural stem cells [J]. Proc Natl Acad Sci U S A，2011，108（51）：20382-20387.

[15]? Amir RE，Van den Veyver IB，Wan M，et al. Rett syndrome is caused by mutations in X-linked MECP2，encoding methyl-CpG-binding protein 2 [J]. Nat Genet，1999，23（2）：185-188.

[16]? Yu F，Zingler N，Schumann G，et al. Methyl-CpG-binding protein 2 represses LINE-1 expression and retrotransposition but not Alu transcription [J]. Nucleic Acids Res，2001，29（21）：4493-4501.

[17]? Guffanti G，Gaudi S，Klengel T，et al. LINE1 insertions as a genomic risk factor for schizophrenia：Preliminary evidence from an affected family [J]. Am J Med Genet B Neuropsychiatr Genet，2016，171（4）：534-545.

[18]? Doyle GA，Berrettini WH. Failure to Replicate an Association of a LINE-1 Element in ERI1 Exoribonuclease Family Member 3（ERI3）with Schizophrenia [J]. Neuropsychopharmacology，2017，42（13）：2471.

[19]? Doyle GA，Doucet-O'Hare TT，Hammond MJ，et al. Reading LINEs within the cocaine addicted brain [J]. Brain Behav，2017，7（5）：e00678.

[20]? Coufal NG，Garcia-Perez JL，Peng GE，et al. L1 retrotransposition in human neural progenitor cells [J]. Nature，2009，460（7259）：1127-1131.

[21]? Skene PJ，Illingworth RS，Webb S，et al. Neuronal MeCP2 is expressed at near histone-octamer levels and globally alters the chromatin state [J]. Mol Cell，2010，37（4）：457-468.

[22]? Horn AV，Klawitter S，Held U，et al. Human LINE-1 restriction by APOBEC3C is deaminase independent and mediated by an ORF1p interaction that affects LINE reverse transcriptase activity [J]. Nucleic Acids Res，2014， 42（1）：396-416.

[23]? Li X，Zhang J，Jia R，et al. The MOV10 helicase inhibits LINE-1 mobility [J]. J Biol Chem，2013，288（29）：21148-21160.

[24]? Zhao K，Du J，Han X，et al. Modulation of LINE-1 and Alu/SVA retrotransposition by Aicardi-Goutieres syndrome-related SAMHD1 [J]. Cell Rep，2013，4（6）：1108-1115.

[25]? Stetson DB，Ko JS，Heidmann T，et al. Trex1 prevents cell-intrinsic initiation of autoimmunity [J]. Cell，2008， 134（4）：587-598.

（收稿日期：2018-08-08? 本文編輯：羅喬荔）