Nucleic Acids Res|中国农科院揭示转座因子不同的整合方式在真核生物基因组转录中的影响

中国农业科学院深圳农业基因组研究所的研究人员于Nucleic Acids Res 上发表了一篇题为“Transposable elements employ distinct integration strategies with respect to transcriptional landscapes in eukaryotic genomes”的研究文献，该文献揭示了转座因子使用不同的整合方式，在真核生物基因组中的转录结果体现。

背景：

转座因子（TEs）是广泛存在的移动DNA序列，它们可以复制自身并整合到宿主基因组中的新位置。由于这些特性，TE对基因组进化有重大影响。不同的TE采取不同的整合策略，会导致了截然不同的插入模式。然而在动植物中TE插入曲线的分析还较少，我们的研究进行了多个物种中多个TE的比较，并研究了全基因组转录环境中的TE分布，确定了两种不同类型的与Pol II相关的TE靶向策略，以及与Pol II转录无关的策略。

结果：

转座子在宿主基因TSSs和TTSs附近的分布

为了了解转座子的目标偏好，我们研究了9个从头插入数据集的目标位点分布。这些包括玉米中的UniformMu，SomaticMu和Ds-GFP，水稻的Tos17，Ds和Spm等。比较分析显示，在不同物种与TSS或TTS的关联方面，不同元素之间存在巨大的相似性和差异。TE插入的分布模式与随机选择的基因座的分布模式之间的差异表明，对于某些元素，TSS或TTS附近的TE插入显著富集。在TSS和TTS附近都观察到 Ds和 Pb插入的富集，表明其特异性不如 Mu和 P。

图1. 新转座子插入在基因附近的分布情况

为了确定Mu和P元素靶向是特定于Pol II依赖性转录还是与任何RNA聚合酶相关，研究了玉米和果蝇中RNA Pol I、III转录的rRNA和tRNA基因附近Mu元素和P元素插入的分布，在这些基因的TTS下游和TSS上游的区域中，UniformMu和SomaticMu的分布于随机选择的基因组位点，UniformMu的分布曲线平滑度更低，可能由于SomaticMu插入的数量是UniformMu插入的3.5倍。两种植物具有特异性RNA聚合酶Pol IV和Pol V，这是不对称序列中胞嘧啶甲基化所必需的。结果表明，Pol IV和Pol V转录的起始或终止位点不是Mu元素插入的主要目标。

图2. RNA聚合酶 i、 iii、 iv 和 v 的从头插入位点在靶位点附近分布

不同表达水平的宿主基因附近的TE靶位点分布

假设几个TE的靶位点与TSS或TTS相关，为了验证，研究了转座子靶向频率与宿主基因相对表达水平之间的相关性。结果表明，虽然随机选择的基因组位点均匀分布在以各种水平表达的基因附近，但Mu和P元素优先靶向高表达的基因，Pb的靶定频率也与基因表达呈正相关。在玉米和水稻中Ds，Spm和Tos17转座子插入的分布均过表达，这表明在这些水平上表达的基因是这些元件的优选靶标。

图3.不同水平表达的基因附近的新转座子插入情况

TE插入分生组织和分化组织中的分布

以玉米中的Mu和Ds元素为例，探讨了TE转座的组织特异性，并鉴定了在分生组织中高水平表达且在分化组织中中等水平表达的基因，以及在分化组织中高水平表达的蛋白且在分生组织中等水平表达的蛋白。结果表明，Mu和Ds元素频繁地插入到分生或快速分裂的细胞的目标表达基因中。存在Mu的情况下，这些基因在细胞中高水平表达。存在Ds的情况下，基因在细胞中以中等水平表达。

图4. Mu和Ds在分生组织或分化组织中分布的比较分析

精确靶向转座子诱变能力的再评估

为了评估更早的Mu元素插入的选择压力，研究了一类Pack-MULE的突变体样元素，其中许多是在基因组中分化出的微小反向重复序列(tirs)中的早期插入。结果表明，在水稻和玉米中，Pack-MULE占用率仅在TSSs上游达到峰值，并降低到TSSs上游的近最底水平。但Pack-MULE插入基因体的数量急剧下降，表明针对该区域中较早的基因插入存在压力。

图5. TSS宿主基因附近的早期转座子分析

结论：

本研究使用多物种的多个新转座子插入数据集比较宿主基因组中的目标位点分布，展示了两种特殊类型的转录相关的特异性靶向策略，启发了真核生物之间的趋同进化过程，并为动植物TE族之间的趋同进化提供了证据。同时我们的数据表明，即使这些TE特异地靶向基因空间，TE也已进化出能最低程度影响宿主基因表达的策略。

参考文献:

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DOI: 10.1093/nar/gkaa370

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