Cell新发现 | 同济大学余天雄等揭露生殖细胞通过piRNA抵御病毒入侵的机制

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转座子（transposon），又称跳跃子,是基因组中的移动元件。美国科学家BarBara McClintock于1948年在玉米中首次发现，她也因此获得了1983年诺贝尔生理学医学奖。人类基因组约有过半碱基（46%）为转座子。转座子能够在宿主基因组中“跳跃”，影响基因组稳定性，并导致动物不孕不育。转座子根据其在基因组中转座的方式可以分成两类，一类转座子在基因组中进行“复制粘贴”，另一类转座子在基因组中进行“剪切粘贴”。为抵抗转座子的“跳跃”行为以维持基因组的稳定性，动物体中的生殖细胞进化出了名为piRNA（PIWI-interacting piRNA）的小RNA以调控转座子的表达。目前认为，这套转座子沉默主要依靠反向（antisense）piRNA，而正向（sense）piRNA则通过乒乓循环（ping-pong circle）帮助扩增反向piRNA。由于绝大部分转座子是在几十万甚至数百万年前病毒入侵基因组而形成，这为研究基因组是如何应对转座子入侵造成了很大的阻碍。

逆转录病毒，包括我们所熟知的HIV病毒，可以将自身整合进去宿主基因组中，从而达到自我增殖并感染宿主的目的。人类基因组中含有约有8%的病毒片段。逆转录病毒感染生殖细胞非常罕见，但这对于进化具有重要的推动作用。考拉逆转录病毒（KoRV）是一种γ逆转录病毒，也是一种转座子，可以在宿主考拉基因组中“复制粘贴”自身已达到增殖和感染的目的。不同于绝大多数的逆转录病毒只入侵宿主体细胞且不可遗传，这种病毒能够侵染考拉的生殖细胞并遗传给后代。这种病毒正在入侵澳洲地区的野生考拉，并于约4万年前开始整合自身进入考拉基因组。在进化学上，4万年犹如弹指一挥间，故而KoRV入侵考拉基因组的这一过程属于正在进行时。

2019年10月10日，同济大学、美国马萨诸塞州大学医学院及澳大利亚昆士兰大学的多位研究学者组成的科研团队在Cell上发表了题为The piRNA Respond to Retroviral Invasion of the Koala Genome（考拉基因组中piRNA对逆转录病毒入侵的响应）的长文文章，巧妙地利用了这种在进化上相对“年轻”的KoRV病毒，通过观察其在考拉个体间（水平）及子代间（垂直）转移的差异、多种组学序列数据精细分析，揭示了考拉基因组中piRNA对于逆转录病毒入侵的应答机制。

主要结果

KoRV在考拉中活跃表达并发生转座

通过对近年来刚组装完成的考拉基因组中的转座子和小RNA进行详细注释，该研究团队发现KoRV拷贝之间的序列差异性很小（<0.5%），这说明KoRV相对“年轻”，是近年来才活跃在考拉基因组中的。RNA-seq分析结果表明KoRV在考拉基因组中显著表达并且是转录水平最高的转座子。继而通过对四只考拉个体进行分析，该团队鉴定出了KoRV和其他转座子在不同个体中的转座差异性。该团队发现，与其他转座子不同，KoRV在基因组中有很多的转座位点，但是KoRV的转座位点在不同的个体中基本不同时存在。通过不同组织间的横向比较，该团队还发现KoRV在睾丸中的活性相对于体细胞组织更低，这与仅在睾丸中存在的piRNA通路相吻合。综合以上说明，KoRV正在活跃地表达，并且在不同的考拉个体中进行着有效且独立的转座，从而导致了现有考拉个体间的基因组差异性（图1）。

图1. KoRV病毒在考拉基因组中高表达且转座活跃

靶向KoRV的piRNA并不来源于piRNA簇

piRNA是生殖细胞重要的免疫系统，而piRNA簇（piRNA cluster）是生殖细胞生产piRNA的中心。转座子piRNA通常产自于已经反向插入到这些piRNA簇中的转座子副本。这类转座子piRNA通常位于转座子的互补链上，并可以通过反向互补靶向沉默转座子。该团队继而关注考拉基因组是否会生产可以靶向KoRV的piRNA，及是否通过传统机制由piRNA簇产生。有趣的是， small RNA-seq分析结果显示，考拉的生殖细胞基因组可以生产足够量的KoRV piRNA，且没有KoRV插入到了考拉基因组中的piRNA簇。这说明靶向KoRV的piRNA是在KoRV的独立拷贝中生产的。而这些靶向KoRV的piRNA如何不依赖于piRNA簇生成引起了研究者们的浓厚兴趣。

靶向KoRV的piRNA来自于未剪切的病毒转录本

研究者们发现，靶向KoRV的piRNA不仅不同于普通转座子可以独立拷贝生产，且具有极强的正向偏好性 (图2) 。不同于已知的piRNA与病毒反向互补已达到沉默表达的机制，研究人员发现KoRV的piRNA大部分来自于正向的KoRV转录本。这一正向偏好性引起了研究者们的关注。该团队推测，这些KoRV的piRNA可能是通过某种机制直接分解KoRV的转录本得到的，故而具有正向偏好性。

图2. 靶向KoRV的piRNA具有正向偏好性

逆转录病毒，包括KoRV，通常会表达两种转录本，剪切的和未剪切的。这两种转录本对于病毒的正常复制和组装来说都是必须的。但是该团队惊奇地发现靶向KoRV的piRNA绝大部分产自于KoRV未剪切的转录本，并且和KoRV一样，其他的转座子的piRNA也是偏好性地产自未剪切的转录本（图3）。最后，该团队在昆虫到后生哺乳动物等8种物种中均发现这种未剪切转录本偏好性，证明了这种piRNA产生机制具有一定的进化保守性。

图3. 考拉基因组中抑制KoRV的piRNA通过未剪切的KoRV转录本产生

考拉基因组中piRNA对KoRV病毒入侵的响应机制

综合对RNA-seq及small RNA-seq数据的比较分析，该团队总结到，生殖细胞可以特异性地识别未剪切的病毒转录本，并且将其呈递到线粒体中的piRNA生产通路当中，分解成正向piRNA，从而达到沉默新入侵的转座子的目的（图4）。此外，此模型在AKV病毒感染的AKR品系小鼠模型中也得到了验证。

图4. 病毒入侵基因组所引发的piRNA“先天性”及“适应性”应答机制

结语

绕过剪切 (bypass splicing) 是一个在进化上保守的分子特征，这个分子特征可以帮助生殖细胞将未剪切的病毒转录本呈递到piRNA生产通路中，然后切割这个转录本形成正向的piRNA，以达到降低病毒转录水平和保护基因组稳定的重要作用。这种通过绕过剪切这个普遍的分子特征来沉默转座子的机制相当于机体的“先天”免疫应答（初级免疫应答）。piRNA的初级免疫应答会一直持续，直到有病毒拷贝插入到了piRNA簇中促使反义piRNA的生产，在生殖细胞中建立序列特异性的“适应性”免疫应答（次级免疫应答）。

地球上每个物种都曾经受到考拉正在经历的病毒入侵过程。这项研究巧妙地利用了KoRV入侵考拉基因组的“实时性”，整合多种组学序列数据并进行精细的生物信息学分析，发现从未被认知的生殖系统对于病毒入侵的应答机制。这一发现为物种进化、基因组免疫应答及功能调控等研究打开了新思路，具有深远影响及意义。

据悉，该文自上线以来在海内外均受到业内外人士的广泛关注。现今Twitter转发近两百次，包括纽约时报（The New York Times）,ABC New, Science Daily, Yahoo News, Le Monde, France24等十数家知名媒体争相报道。

主要作者简介

• 余天雄，第一作者。同济大学在读博士，国家公派赴美国马萨诸塞州大学访问学者，参与课题构思设计、文章撰写并完成该课题生物信息数据分析。

• Birgit S. Koppetsch，并列第一作者。美国马萨诸塞州大学医学院研究助理，参与课题构思设计并完成考拉样本的处理及测序文库构建。

• 翁志萍，并列通讯作者。同济大学客座教授，参与课题构思设计及文章撰写。

• William E. Theurkauf，并列通讯作者。美国马萨诸萨州大学医院教授，参与课题构思设计及文章撰写。

• Keith Chappell，并列通讯作者。澳大利亚昆士兰大学研究员，为课题提供考拉样本。

原文链接:

https://doi.org/10.1016/j.cell.2019.09.002

制版人：珂

参考文献

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2. R. N. Johnson et al., “Adaptation and conservation insights from the koala genome,” Nat. Genet., Jul. 2018.

3. M. Hobbs et al., “A transcriptome resource for the koala (Phascolarctos cinereus): insights into koala retrovirus transcription and sequence diversity,” BMC Genomics, vol. 15, p. 786, Sep. 2014.

4. J. J. Hanger, L. D. Bromham, J. J. McKee, T. M. O’Brien, and W. F. Robinson, “The Nucleotide Sequence of Koala (Phascolarctos cinereus) Retrovirus: a Novel Type C Endogenous Virus Related to Gibbon Ape Leukemia Virus,” J. Virol., vol. 74, no. 9, pp. 4264–4272, May 2000.

5. Hansson Göran K., Libby Peter, Schönbeck Uwe, and Yan Zhong-Qun, “Innate and Adaptive Immunity in the Pathogenesis of Atherosclerosis,” Circ. Res., vol. 91, no. 4, pp. 281–291, Aug. 2002.

6. W. E. Paul, “Bridging Innate and Adaptive Immunity,” Cell, vol. 147, no. 6, pp. 1212–1215, Dec. 2011.

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