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中國海洋大學(xué)在纖毛蟲轉(zhuǎn)座子刪除機制方面取得新進展 |
http://m.gerecailiao.cn 2024年10月30日 來源:華禹教育網(wǎng) |
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2024年10月24日,在中國海洋大學(xué)建校100周年之際,海洋生物多樣性與進化研究所原生動物學(xué)團隊的高鳳課題組在Nucleic Acids Research雜志發(fā)表了題為“GTSF1
is required for transposon silencing in the unicellular
eukaryote Paramecium tetraurelia”(GTSF1是單細胞真核生物第四雙小核草履蟲轉(zhuǎn)座子沉默所必需的)的研究論文。該研究首次對原生動物中的GTSF1進行了報道,發(fā)現(xiàn)其作為PIWI蛋白輔因子的作用是保守的,并揭示了其在纖毛蟲轉(zhuǎn)座子刪除中的功能與作用機制,為深入了解真核生物轉(zhuǎn)座子抑制機制和演化過程提供了重要資訊。
轉(zhuǎn)座子存在于幾乎所有生物的基因組中,并占據(jù)極高的比例,在基因多樣性的形成與進化過程中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。然而,轉(zhuǎn)座子對基因組的完整性與穩(wěn)定性存在很大的威脅,研究發(fā)現(xiàn)一百多種人類遺傳病與轉(zhuǎn)座子相關(guān)。為了控制轉(zhuǎn)座子的活性,生物進化出了多種轉(zhuǎn)座子抑制機制。piRNA通路是動物生殖細胞中抑制轉(zhuǎn)座子的關(guān)鍵通路,通過指導(dǎo)形成異染色質(zhì)標(biāo)記或剪切轉(zhuǎn)座子產(chǎn)生的轉(zhuǎn)錄本,在轉(zhuǎn)錄或轉(zhuǎn)錄后水平抑制轉(zhuǎn)座子。
作為一大類高度特化的單細胞真核生物,纖毛蟲則采用了更加直接的方式實現(xiàn)轉(zhuǎn)座子的抑制:在有性生殖過程中將轉(zhuǎn)座子從轉(zhuǎn)錄活躍的體細胞核里刪除,因此轉(zhuǎn)座子只保留在轉(zhuǎn)錄沉默的生殖核里。研究表明,這一轉(zhuǎn)座子的靶向刪除過程與piRNA通路相似,也是由PIWI蛋白、piRNA及保守的組蛋白甲基化復(fù)合體等協(xié)同介導(dǎo)完成的。這一獨特的現(xiàn)象為進一步了解轉(zhuǎn)座子抑制機制的多樣性及其起源與演化過程提供了理想的實驗材料。然而目前有關(guān)這一過程的分子機制仍存在大量科學(xué)問題尚未解決。
圖1. GTSF1蛋白缺失對組蛋白甲基化H3K9me3與H3K27me3的影響
進化所高鳳教授課題組前期與合作者一起,以纖毛蟲模式生物—第四雙小核草履蟲為材料,解析了其中組蛋白甲基化復(fù)合體—多梳蛋白抑制復(fù)合體PRC2的核心組分,揭示了PRC2與piRNA-PIWI復(fù)合體之間的相互作用,并探究了其在轉(zhuǎn)座子刪除過程中的作用機制。在此基礎(chǔ)上,課題組還對多種纖毛蟲piRNA介導(dǎo)的轉(zhuǎn)座子刪除機制進行了綜述,為轉(zhuǎn)座子與其宿主基因組之間的共同進化提供了重要的見解。相關(guān)工作分別于2022、2023年發(fā)表在國際知名學(xué)術(shù)期刊Cell Reports和Trends in Genetics上。
本研究進一步聚焦該過程中piRNA的選擇性降解這一科學(xué)問題進行研究。在草履蟲中,piRNA由生殖核基因組全局轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生,包括轉(zhuǎn)座子與非轉(zhuǎn)座子序列,后續(xù)通過與不含轉(zhuǎn)座子的母代體細胞核比對以識別并選擇性地降解非轉(zhuǎn)座子piRNA,僅保留轉(zhuǎn)座子piRNA,轉(zhuǎn)運至新的體細胞核中指導(dǎo)轉(zhuǎn)座子的刪除,但如何實現(xiàn)非轉(zhuǎn)座子piRNA的選擇性降解仍然未知。
本研究鑒定到了與piRNA命運決定相關(guān)的GTSF1。GTSF1與PIWI和PRC2相互作用,并與非轉(zhuǎn)座子piRNA-PIWI復(fù)合體上標(biāo)記的添加相關(guān)。缺失GTSF1時,非轉(zhuǎn)座子piRNA與母代體細胞核基因組比對后無法被標(biāo)記,亦不能被降解,導(dǎo)致由piRNA指導(dǎo)的PRC2復(fù)合體以及組蛋白甲基化(H3K9me3與H3K27me3)定位均發(fā)生改變,H3K9me3與H3K27me3在轉(zhuǎn)座子上的特異性富集分布消失,并進一步導(dǎo)致轉(zhuǎn)座子刪除進程變慢。該工作為進一步探究piRNA的選擇與標(biāo)記提供了重要數(shù)據(jù),也為解析纖毛蟲中piRNA介導(dǎo)的轉(zhuǎn)座子刪除機制提提供了新資訊。
高鳳教授為該論文的通訊作者,第一作者為課題組博士畢業(yè)生王春荻,現(xiàn)于山東大學(xué)海洋學(xué)院任副研究員。該工作得到國家自然科學(xué)基金、山東省自然科學(xué)基金、嶗山實驗室科技創(chuàng)新項目等資助。
圖2. GTSF1在纖毛蟲轉(zhuǎn)座子刪除中的作用機制
高鳳教授(前排右二)和本文第一作者王春荻博士(前排左三)
通訊員:張川
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