过去不为人知的DNA元件正在借用细胞的修复机制

与它的病毒近亲一样，一种被称为逆转录转座子的寄生 DNA 序列被发现借用细胞自身的机制来实现其目标。

在周三《自然》杂志在线发表的一篇新研究中，杜克大学的一个研究小组确定逆转录转座子劫持了细胞 DNA 修复功能的一个鲜为人知的片段，将自身封闭成环状，然后创建匹配的双链。

这一发现颠覆了 40 年来的传统观念，即这些环只是不良基因复制的无用副产品。它还可能为癌症、病毒感染和免疫反应提供新的见解。

逆转录转座子是大约 7,000 个字母长的 DNA 片段，可以将自身复制并粘贴到植物和动物基因组的不同部分。通过这样做，它们在重写 DNA 和调节细胞如何使用其基因方面发挥着作用。逆转录转座子被认为是驱动进化的许多基因变异和创新背后的原因，并且是从父母双方遗传的。

许多研究表明，染色体外的这些 DNA 环在某种程度上参与了癌症的发生和进展，部分原因是它们的 DNA 序列中含有致癌基因。导致艾滋病的逆转录病毒 HIV 也能形成环状 DNA。

“我认为这些元素是基因组动力学、动物进化甚至影响我们日常生活的源泉，”药理学和癌症生物学助理教授、杜克大学科技学者赵张(ZZ)说。“但我们仍在欣赏它们的功能。”

逆转录转座子相当常见——它们约占人类基因组的 40%，占玉米基因组的 75% 以上——但它们如何以及在何处复制却一直有些模糊。

张举着一本厚厚的逆转录病毒教科书，他在这项研究中参考了这本教科书。书中称，环状序列“是通过重组线性 DNA 的两端而产生的，只是一条死胡同，是复制失败的副产品，”他说。

在早期对果蝇卵的研究中，张的团队已经确定，遗传性逆转录转座子使用支持卵的“护士细胞”作为工厂来制造自身的许多副本，然后将这些副本分布在果蝇正在发育的卵中的整个基因组中。该模型系统使研究人员能够进一步放大以了解更多关于反转录转座子的信息。

在最新的工作中，他们意外地发现，大多数新添加的反转录转座子都是这种环状形式，而不是整合到宿主的基因组中。然后他们进行了一系列实验，一次一个地敲除细胞的 DNA 修复机制，以弄清楚这些圆圈是如何以及在哪里形成的。

答案是：一种很少被研究的 DNA 修复机制，称为选择性末端连接 DNA 修复，简称 alt-EJ，它可以修复双链断裂。逆转录转座子序列利用宿主修复机制的这一部分将单链 DNA 的末端缝合在一起，然后使用其 DNA 合酶创建匹配的双链。为了更好地衡量，研究人员证实这也是人类细胞内的过程。

因此，逆转录转座子并不是一个草率的意外事件;而是一个偶然事件。它们实际上劫持了细胞机器的一小部分来制造更多的细胞机器，就像病毒一样。

“我们的发现实际上颠覆了教科书模型，”张说。“我们表明，教科书提出的重组事件对于形成环并不重要，”张说。“相反，是替代 EJ 途径驱动循环生产。”

“我的实验室目前正在尝试测试环状 DNA 是否可以作为插入新基因组的中间体，”张说。“我们还在测试我们的免疫系统是否可以感知环状DNA以触发免疫反应。”

“在逆转录病毒领域和逆转录转座子领域，人们认为环状DNA只是一个小事件，但我们的研究正在将环状DNA带入中心舞台，”张说。“人们应该更加关注环状DNA。”

这项研究的资金来自国家癌症研究所 (P01CA247773)、国立卫生研究院 (DP5 OD021355、R01 GM141018) 和皮尤生物医学学者计划。