揭开基因组暗物质在生命起源中的神秘面纱—我院刘琬璐研究员合作研究成果在Nature Communications上发表
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近日，浙江大学爱丁堡大学联合学院（ZJE）刘琬璐研究员和加利福尼亚大学洛杉矶分校（UCLA）Amander T. Clark教授课题组在Nature Communications（IF=14.919）杂志发表题为Human reproduction is regulated by retrotransposons derived from ancient Hominidae-specific viral infections的合作研究论文。论文通讯作者为ZJE刘琬璐研究员和UCLA Amander T. Clark教授，ZJE 2020级生物信息学博士生相欣雨和UCLA校友陶瑜博士为本文共同第一作者，ZJE生物医学专业大四本科生张金淳和ZJE生物信息学专业博士生薛子为分别为论文第五和第六作者。
该工作通过对基因组暗物质——逆转座子在人早期胚胎生殖系统发育过程中的功能进行探究，揭示了一种人特异性逆转座子LTR5Hs介导的表观遗传调控在人原始生殖细胞发育中不可或缺的作用，为证明人类生殖系统的进化过程与其他物种不同提供了证据。作者同时开发了可以动态查询在人原始生殖细胞体外诱导过程中逆转座子表达模式的可视化网站（网址：https://labw.org/germlineTE/）。
文章地址：https://www.nature.com/articles/s41467-022-28105-1
生命起源与基因组暗物质
精子和卵子承载了生命体代代相传的遗传和表观遗传信息，缔造了每一个生命的起源；而精子和卵子的形成依赖于生殖系统精密且复杂的发育调控过程。听起来很不可思议的是，最原始的生殖细胞在胚胎发育的早期（受精后第11-12天[1]）就已经形成，被称为原始生殖细胞（Primordial Germ Cells，PGCs）；原始生殖细胞的发育失败是不孕不育的重要因素之一。在各种动物模型中，PGCs的发育过程和影响因素已被广泛研究[2]，但由于伦理和技术的限制，调控人原始生殖细胞（human PGCs，hPGCs）发育的精确机制尚不清楚，也是人胚胎发育过程中的经典“黑箱问题”之一。
转座子（Transposable Elements，TEs）又有“基因组暗物质”的别称，同宇宙中的暗物质一样，它们占比很高（约占人类基因组的50%），而与此相对地，编码蛋白质的 DNA 序列只占人基因组的不到1%。但是，作为基因组中最神秘且富有魅力的元件，我们目前对其功能仅略知一二。人类基因组中的绝大多数TEs是逆转录转座子，通过RNA作为中间载体在基因组中进行跳跃（即转座），它产生的基因组变异是很重要的物种进化推力[3]。尽管大多数逆转座子经过漫长的演变，已经失去了转座能力，但其仍可以作为启动子、增强子或其他调控元件参与各种重要生物学过程[4]。
为了维持基因组的完整性，转座子通常被 DNA 甲基化等抑制性表观遗传机制所沉默[4]。在原始生殖细胞形成过程中，本被抑制的逆转座子被激活且高度动态表达。因此，研究人类原始生殖细胞的发育分化过程中逆转座子的调控机制对于深入理解人类胚胎发育以及胚胎停育、不孕不育等疾病具有重要意义。
为了探究逆转座子在原始生殖细胞发育过程中扮演的角色，作者首先通过人原始生殖细胞体外诱导过程中的RNA-seq和scRNA-seq两个视角，探究了逆转座子的动态表达模式。结果表明，LTR5Hs，一种人特异性逆转座子，在人原始生殖细胞类细胞（hPGC-Like Cells，hPGCLCs）诱导过程中广泛且高度地被上调，暗示它可能发挥重要的作用。
通过表观遗传系统解码逆转座子功能
表观基因组学是揭秘基因组调控元件身份的“金钥匙”。为了探究hPGCLCs诱导过程中的表观遗传模式，鉴定逆转座子可能发挥的功能，作者深度解析了逆转座子所在区域的染色质可及性、DNA甲基化和组蛋白修饰模式。多组学分析显示，LTR5Hs在此过程中被开放且拥有特异的去甲基化模式，并广泛富集H3K27ac组蛋白修饰。由此，作者推测LTR5Hs活跃的表观遗传模式可能介导了人类特有的PGC发育过程。
LTR5Hs被激活的表观遗传模式预示了其作为增强子（TE Embedded eNhancers ，TEENhancer）的功能。为了进一步确认此推测，作者对LTR5Hs的转录因子结合情况进行了探究。ChIP-seq数据显示，LTR5Hs元件可以作为潜在的增强子位点，结合hPGC发育过程中重要的转录因子如NANOG，TFAP2C，SOX17和SOX15，从而调控下游基因的表达。
最后，作者对LTR5Hs在hPGCLCs诱导过程中的功能进行了验证。通过CRISPR-dCas9抑制LTR5Hs的活性，能够显著降低hPGCLCs的诱导效率，且差异表达基因关于LTR5Hs元件位点呈很明显的增强子模式，进一步说明了LTR5Hs在人原始生殖细胞发育过程中不可或缺的地位。
人类进化升级包——LTR5Hs
综上，作者通过系统解析人原始生殖细胞体外诱导过程中的表达模式、转录因子结合情况与表观遗传多组学，并通过功能验证，首次发现了一种人特异性逆转座子LTR5Hs作为增强子，在人早期生殖系统正常发育过程中的重要作用。考虑到逆转座子对基因库更新的贡献，一种可能的解释是，在物种进化过程中，LTR5Hs，这种在其他物种中没有出现的逆转座子，对生殖细胞的发育是有利的，从而提高了人类的生殖适应性，形成了人类特有的生殖系统发育调节模式。
UCLA博士生Jonathan DiRusso、Fei-Man Hsu博士，EPFL Julien Pontis博士、Didier Trono教授也参与了此项研究。论文课题得到了国家自然科学基金、浙江省自然科学基金、中央高校基本科研业务费专项资金、阿里巴巴-浙江大学未来数字医疗联合研究中心等赞助。
【参考文献】
[1] Chen, D. et al. Human primordial germ cells are specified from lineage-primed progenitors. Cell Rep. 29, 4568–4582.e5 (2019).
[2] Hancock, G. V., Wamaitha, S. E., Peretz, L. & Clark, A. T. Mammalian primordial germ cell specification. Development 148, dev189217 (2021).
[3] Friedli, M. & Trono, D. The Developmental Control of Transposable Elements and the Evolution of Higher Species. Annu. Rev. Cell Dev. Biol. 31, 429–451 (2015).
[4] Chuong, E. B., Elde, N. C. & Feschotte, C. Regulatory activities of transposable elements: from conflicts to benefits. Nat. Rev. Genet. 18, 71–86 (2017).
课题组介绍
About lab
刘琬璐课题组的主要研究方向为表观遗传学、基因组学、生物信息学、干细胞及再生医学，目前正致力于研究转座子的表观调控机制及其在细胞命运决定过程中的作用，实验室也侧重于多组学数据集单细胞数据的生物信息算法、数据库、网页工具等开发。
邮箱：wanluliu@intl.zju.edu.cn
实验室网址：https://labw.org
图文｜刘琬璐课题组提供
编辑｜梁爽
责任编辑｜黄晓涵
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