揭開人類基因組中這種古老遺傳元件的入侵、移動和致病機制

數(shù)十億年前，當(dāng)原始生命形式開始變得更加復(fù)雜時，一個自私的遺傳元件成為了一種基因組“殖民者”。它們通過復(fù)制和粘貼，不斷將自己整合到各種各樣的基因組中。 隨著時間的推移，所有真核生物都繼承了這些序列，包括我們?nèi)祟?。事實上，這個古老的遺傳元件占據(jù)了大約三分之一的人類基因組，這些序列此前一直被認為是沒有作用的“垃圾DNA”，也被稱為黑暗基因組（dark genome）。 黑暗基因組主要由重復(fù)元件或重復(fù)序列組成，這些重復(fù)序列包括不同家族，例如LINE（長散在重復(fù)序列，占21%）、SINE（短散在重復(fù)序列，占15%）、Alu元件和HERV（人內(nèi)源性逆轉(zhuǎn)錄病毒，占9%）等等。在健康的成人細胞中，這些重復(fù)序列處于休眠狀態(tài)。然而，在疾病或細胞應(yīng)激的情況下，這些重復(fù)序列可以被激活。激活的重復(fù)序列可以轉(zhuǎn)錄成RNA并翻譯成蛋白質(zhì)，這可能會產(chǎn)生促進疾病的下游效應(yīng)，例如加劇我們的免疫系統(tǒng)激活、幫助腫瘤生長和增殖。 LINE-1 是一個普遍存在于黑暗基因組中的轉(zhuǎn)座子家族，人類基因組包含了大約50萬個LINE-1拷貝，占人類基因組的17%，其中約100個是活躍的，它們編碼了功能性逆轉(zhuǎn)錄酶（RT）。當(dāng)它們異常表達時，LINE-1 RT在細胞質(zhì)中將RNA逆轉(zhuǎn)錄為DNA，通過核酸傳感器觸發(fā)病毒模擬反應(yīng)，這導(dǎo)致驅(qū)動自身免疫性疾病的1型干擾素和NF-κB通路的激活。一種名為 ORF2 的蛋白質(zhì)是LINE-1能夠成功的關(guān)鍵，這意味著了解ORF2p的結(jié)構(gòu)和機制可能為多種疾病提供新的潛在治療靶點。 

該研究首高分辨率地呈現(xiàn)了ORF2蛋白的核心結(jié)構(gòu)，揭示了LINE-1關(guān)鍵致病機制的許多新見解。這項 將促進靶向LINE-1的藥物設(shè)計，并可能帶來新的治療方法和策略來對抗癌癥、自身免疫疾病、神經(jīng)退行性疾病和其他衰老相關(guān)疾病。該研究同樣解析了LINE-1表達的全長ORF2蛋白的結(jié)構(gòu)，并揭示了其在人類基因組中復(fù)制和轉(zhuǎn)移的機制 

LINE-1 是一種逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子，它能夠?qū)?/span>RNA逆轉(zhuǎn)錄回DNA，同時復(fù)制和寫入生物體的基因組中的不同位置。目前我們還不清楚LINE-1的起源，但它與II型內(nèi)含子有進化聯(lián)系，這是一種可追溯到約25億年前的古老的可移動元件。像LINE-1這樣的逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子已經(jīng)與其宿主生物體一起進化了10-20億年，這是LINE-1試圖插入自己和宿主保護其基因組之間的一場持續(xù)戰(zhàn)斗。 在人類細胞中，存在著 大約50萬個LINE-1拷貝，占人類基因組的17%，其中絕大多數(shù)是無活性的，這是它們劫持復(fù)制機制失敗的證據(jù)。但其中約有100個是活躍的。該研究團隊十多年來一直致力于研究LINE-1及其表達的蛋白質(zhì)，但由于 ORF2蛋白表達水平低且不頻繁，因此對其了解仍然很有限。 論文共同通訊作者  John LaCava 教授表示， LINE-1一直很難研究，因為它有非常奇怪的特征，例如，它有一個不尋常的復(fù)制周期，并且一直沒能能夠捕獲ORF2蛋白。但我們純化到了全長ORF2蛋白以及促進LINE-1復(fù)制的核心，這讓我們得以進一步解析其結(jié)構(gòu)。

通過將X射線晶體學(xué)和冷凍電鏡這兩種結(jié)構(gòu)解析技術(shù)的結(jié)合，研究團隊發(fā)現(xiàn)了ORF2蛋白核心內(nèi)兩個新的折疊域，它們有助于LINE-1的自我復(fù)制能力。ORF2蛋白具有獨特的結(jié)構(gòu)適應(yīng)性，它是一種多面手蛋白質(zhì)，能夠處理從序列的復(fù)制到插入的所有事情。大多數(shù)病毒需要潛在的數(shù)百個逆轉(zhuǎn)錄酶蛋白質(zhì)來實現(xiàn)復(fù)制，而ORF2蛋白可以完成這些所有工作。 當(dāng)LINE-1在細胞質(zhì)中被激活時，它就像一個病毒模擬物。它會產(chǎn)生RNA:DNA雜交鏈，當(dāng)它們被細胞免疫系統(tǒng)感知時，看起來就像是病毒感染，這種病毒模擬可能為ORF2蛋白如何激活固有免疫系統(tǒng)，導(dǎo)致自身免疫疾病和其他疾病提供了一個可能的解決方案。 該研究進一步發(fā)現(xiàn)，與細胞質(zhì)中遺傳物質(zhì)的相互作用激活了cGAS/STING抗病毒通路。反過來，該通路導(dǎo)致細胞產(chǎn)生干擾素，刺激免疫系統(tǒng)并導(dǎo)致炎癥，類似于病毒感染時發(fā)生的情況 。 具體來說，研究團隊使用X射線晶體學(xué)和冷凍電鏡解析了人類ORF2蛋白的“核心”（殘基238-1061，包括逆轉(zhuǎn)錄酶結(jié)構(gòu)域）的多種構(gòu)象狀態(tài)的結(jié)構(gòu)。，揭示了其兩個新的折疊域，可與RNA模板的廣泛接觸，以及相關(guān)適應(yīng)性，這些都有助于LINE-1復(fù)制周期的獨特方面。 全長ORF2蛋白的計算整合結(jié)構(gòu)模型顯示了一個動態(tài)的閉環(huán)構(gòu)象，在逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座過程中似乎打開 。研究團隊還對ORF2蛋白逆轉(zhuǎn)錄酶抑制進行了表征，并揭示了其潛在的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。成像和生物化學(xué)揭示了非經(jīng)典的胞質(zhì)內(nèi)ORF2蛋白逆轉(zhuǎn)錄酶活性可以產(chǎn)生RNA:DNA雜交鏈，通過cGAS/STING激活固有免疫信號通路，導(dǎo)致干擾素的產(chǎn)生。   

LINE-1的致病復(fù)制周期和人ORF2蛋白核心的2.1埃分辨率晶體結(jié)構(gòu) 與逆轉(zhuǎn)錄病毒的逆轉(zhuǎn)錄酶相比，LINE-1的逆轉(zhuǎn)錄酶可以由短RNA和發(fā)夾RNA高效啟動，這可能解釋了其胞質(zhì)內(nèi)啟動。該研究還通過進化分析揭示了ORF2蛋白和其他RNA和DNA依賴性聚合酶之間的結(jié)構(gòu)保守性 。 這些研究提供了LINE-1聚合和插入的關(guān)鍵機制見解，揭示了其進化史，并使靶向LINE-1的藥物開發(fā)變得更加合理。 研究團隊還測試了針對逆轉(zhuǎn)錄病毒HIV和HBV的治療方法，以了解它們是否會抑制LINE-1。結(jié)果顯示沒有，這表明必須針對LINE-1的獨特特征進行定制的抑制方法。這項研究為更好地設(shè)計LINE-1抑制劑打開了大門。 

值得一提的是， Rome Therapeutics 近日公布了他們的一款同類首藥物—— RPT-A 的臨床前研究數(shù)據(jù)，該藥物旨在通過抑制 LINE-1 來控制自身免疫疾病，目前正在進行臨床試驗申請。 實驗數(shù)據(jù)顯示，該藥物能夠 有效地減少自身免疫性疾?。t斑狼瘡）小鼠模型中的致病性的自身抗體，他們還展示了來自人類研究的數(shù)據(jù)， 證明了LINE-1 RT是一個可行的藥物靶點。 

Rome Therapeutics首席執(zhí)行官 Rosana Kapeller 博士表示， 這些數(shù)據(jù)首證實LINE-1 RT是一種新的治療靶點，可用于廣泛的自身免疫性疾病的潛在治療干預(yù)。這些數(shù)據(jù)也標(biāo)志著公司的重大里程碑。