破解基因组“暗物质”的复制密码：首次看清LINE-1逆转录转座子侵染DNA的分子瞬间

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《Science》破解基因组“暗物质”的复制密码：首次看清LINE-1逆转录转座子侵染DNA的分子瞬间
  L7 M+ Y! Z: ?- v* w来源：iNature 2026-02-23 16:151 E/ Q4 _$ O# F. P0 A
该研究展示了人类 LINE-1 TPRT 复合物的四个冷冻电子显微镜结构，揭示了开放阅读框 2 蛋白（ORF2p）的构象动态及其对 TPRT 启动的靶 DNA 的广泛重塑。$ k6 N5 L9 |# V' r8 U
长间隔元件 - 1（LINE-1）逆转录元件是人类中唯一具有活性的自主转座元件。它们通过一种称为靶向启动逆转录（target-primed reverse transcription，TPRT）的过程，将自身的信使 RNA 逆转录到新的基因位置而进行繁殖。' P$ w6 t; j! \( w
2025年3月6日，剑桥大学Thi Hoang Duong Nguyen团队在Science 在线发表题为“Structural mechanism of LINE-1 target-primed reverse transcription”的研究论文，该研究展示了人类 LINE-1 TPRT 复合物的四个冷冻电子显微镜结构，揭示了开放阅读框 2 蛋白（ORF2p）的构象动态及其对 TPRT 启动的靶 DNA 的广泛重塑。
. T% T$ h2 `8 L该研究观察到在第一链逆转录过程中，DNA 的第二链发生切口。结构预测确定了与 LINE-1 相关因子（即增殖细胞核抗原（PCNA）和细胞质聚（A）-结合蛋白 1（PABPC1））高度可信的结合位点在 ORF2p 上。总之，该研究表明了这些因子调节转座的机制，并支持了对细胞中观察到的转座结果的 TPRT 模型。
; ~: }" W. Q) Z6 @1 U' Q; G长间隔元件 - 1（LINE-1）逆转录元件是人类中数量最多且唯一具有活性的自主转座子，约占人类基因组的 17%。LINE-1 的活性会对基因组的完整性产生深远影响，并且与癌症以及各种其他疾病有着密切的关联。LINE-1 的传播是通过一种称为靶向启动逆转录（TPRT）的机制进行的。在 TPRT 过程中，由 LINE-1 编码的开放阅读框 2 蛋白（ORF2p）会切割目标 DNA 并将 LINE-1 信使 RNA（mRNA）逆转录到新的基因位置。为了完成插入，还需要在相反的 DNA 链上进行第二次切割以及该第二链的 DNA 合成。这两个切割的交错性质导致插入两端的目标序列重复，这一特征被称为靶位点重复（TSD）。然而，ORF2p 如何重组目标 DNA 以进行逆转录、ORF2p 是否会切割两个目标 DNA 链、TSD 的长度为何存在变化以及宿主因素在这一过程中所起的作用等，目前仍大多未知。# \1 z9 L4 |4 t* r6 K  s
通过绕过第一个切口步骤的方式，在 TPRT 过程中对 ORF2p 进行了生物化学阻滞，并利用冷冻电子显微镜（cryo-EM）解析出了 TPRT 复合物的四种结构。结构显示，ORF2p 会弯曲并解开目标 DNA，将切口后的 3' 端插入其活性位点，从而为逆转录提供启动点。该研究观察到，在 TPRT 结构中，第二条 DNA 链也出现了切口。生物化学实验证实，ORF2p 的内切核酸酶结构域负责第二条链的切口，无论是在第一链逆转录之前还是同时进行。结构分析表明，内切核酸酶结构域的灵活性以及目标 DNA 的解旋，可能有助于导致 TSD 长度的多样性。
8 ?: t0 R! A. P( _- W4 Y6 T来自LINE-1 ORF2p TPRT复合体的结构解析（图源自Science ）, m9 ~* G7 a* A( m/ [
结合结构预测结果，结构及相关实验使研究人员能够进一步完善 LINE-1 逆转录转座模型。首先，ORF2p 与 PABPC1 的共翻译相互作用可能有助于 ORF2p 与其自身的 mRNA 形成关联。在核糖体核蛋白（RNP）形成并进入细胞核后，LINE-1 RNP 可通过与 PCNA 的相互作用被招募到目标 DNA 上。ORF2p 会切割第一条链，重塑目标 DNA，并在第一条链合成之前或期间切割第二条链。一旦第一条链被复制，ORF2p 会从被切开的第二条链的缺口处进行引物合成，从而合成第二条链，从而形成一个新的 LINE-1 插入位点。在这个模型中，第二条链合成的提前启动会导致 5' 端截短的插入位点。- k0 D( L: Y& \4 p
总之，该研究展示了人类 LINE-1 TPRT 复合物的结构，这为我们提供了有关 ORF2p 对靶 DNA 进行广泛重塑的见解，并阐明了第二链切口的机制。该研究描述了 ORF2p 上之前未被识别的 PCNA 和 PABPC1 结合位点，强调了它们可能参与 LINE-1 逆转录转座的作用。总之，该研究提出了一个修订的 LINE-1 逆转录转座模型，详细说明了 TPRT 事件的更新序列。
5 I6 |  [* A$ m/ C6 b参考消息：https://www.science.org/doi/10.1126/science.ads8412
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