生物通报道  近日来自美国马萨诸塞大学医学院的研究人员在新研究中揭示了基因组保护自身免受DNA寄生序列入侵的分子机制，相关研究论文“Adaptation to P Element Transposon Invasion in Drosophila melanogaster”于12月23日发表在《细胞》（Cell）杂志上。
领导这一研究的是马萨诸塞大学医学院细胞及发育动态部的William E. Theurkauf教授和生物信息学和整合生物学部的翁志萍（Zhiping Weng）教授。后者早年毕业于中国科技大学，1997年获得美国波士顿大学医学工程博士学位，2003年获得波士顿大学生物医学工程系终身副教授职务。2008年起被聘为麻省大学医学院生物化学与分子药物学系正教授。主要从事基因转录调控的计算机分析及多细胞动物小RNAs的功能和调控研究。
基因组完整性对于生物个体和物种的维持均至关重要。而基因组中大量存在的转座子等DNA移动元件则有可能对生物体遗传完整性和稳定性造成巨大的威胁而引发基因组突变。尽管有研究表明生物体通常会利用称为Piwi互作RNAs（piRNAs） 的特异性小RNA分子引导蛋白质去沉默基因组中的转座子，然而到现在为止科学家对于这一关键性的生物系统对应侵入新转座子的机制还并不是很清楚。
“基因组散落着这些转座子，”Theurkauf教授说：“在果蝇中存在着120多种不同类型的转座子。我们针对宿主-病原体反应中的这些活性病原体展开了研究。此外，piRNAs也是从基因组中包含其中部分转座子的区域中产生的，它们是沉默这些移动元件的基础。”
为了了解基因组对应新导入的转座子的机制，Theurkauf及同事们将研究焦点放在了野生果蝇上。不同于实验室标准条件下培育的果蝇，野生果蝇包含一种称为P因子（P element ）的转座子，它是科学家们在20世纪早期开始培育果蝇研究基因遗传时发现的。实验室培育的果蝇缺乏P因子转座子及沉默它必需的母系遗传的piRNA。当实验室培育的雌性果蝇与带有P因子的野生果蝇杂交时，子代会因为无法沉默这些导入的转座子而导致不育。
Theurkauf实验室博士生Jaspreet Khurana敏锐地观察到当这些杂交果蝇长大时，它们获得了生育能力。“基于我们观察到这些果蝇恢复了生育能力，看起来似乎是它们学会了如何沉默这些转座子。我们决定利用这一系统来研究对新转座因子的适应过程，”Theurkauf说。
利用包含新一代测序技术的跨学科方法，Theurkauf 及同事获得了这些不育的杂交果蝇在不同的发育阶段的全基因组序列。翁志萍教授实验室的博士后王杰（Jie Wang，生物通音译）对这些遗传信息展开了分析，希望能解开基因组应对新导入的转座子的谜题。
获得的研究结果让他们非常惊讶。在这些杂交果蝇的后代中，新转座子激发了一个破坏全部piRNA机制的反应。不仅新导入的转座子在基因组中跳跃导致了所预期的问题，研究人员发现果蝇基因组中的120多个转座子中的大多数也变得活跃起来。“基因组的这种大规模的不稳定时有可能是导致它们不育的重要原因。”
然而当这些杂交果蝇长大时，新转座子和所有存在的固有转座子均被关闭，生育能力得以恢复。“我们发现有两种机制导致了转座子沉默，”翁志萍说：“就P因子而言，结果是果蝇学会了处理从父本遗传的piRNA转录物，并将他们转变为成熟的 piRNAs 来沉默这种转座子。与之相反的是，固有转座子跳跃到了piRNA 基因簇中，通过改变其结构，生成新的 piRNAs来沉默固有元件。”
“我们研究的精要在于引入了一个新的转座子，从而引发了可导致基因组中所有转座子激活及杂交后代不育的危机，”Theurkauf说：“值得注意的是，另一方面，基因组结构发生了改变的生物体功能性地重新恢复了 piRNA基因簇，从而确保了更有效地沉默转座子。”
（生物通：何嫱）
生物通推荐原文摘要：
Adaptation to P Element Transposon Invasion in Drosophila melanogaster
Transposons evolve rapidly and can mobilize and trigger genetic instability. Piwi-interacting RNAs （piRNAs） silence these genome pathogens, but it is unclear how the piRNA pathway adapts to invasion of new transposons. In Drosophila, piRNAs are encoded by heterochromatic clusters and maternally deposited in the embryo. Paternally inherited P element transposons thus escape silencing and trigger a hybrid sterility syndrome termed P-M hybrid dysgenesis. We show that P-M hybrid dysgenesis activates both P elements and resident transposons and disrupts the piRNA biogenesis machinery. As dysgenic hybrids age, however, fertility is restored, P elements are silenced, and P element piRNAs are produced de novo. In addition, the piRNA biogenesis machinery assembles, and resident elements are silenced. Significantly, resident transposons insert into piRNA clusters, and these new insertions are transmitted to progeny, produce novel piRNAs, and are associated with reduced transposition. P element invasion thus triggers heritable changes in genome structure that appear to enhance transposon silencing.

来源：生物通