神经系统中LINE-1转座的研究进展

毛洋 李晓宇

[摘要] 长散在核重复序列1（LINE-1）属于逆转录转座子，至今仍在人类基因组中保留自主转座的活性，并在基因组中占有很高的比例，其频繁转座会引起基因组不稳定，导致严重的后果。通常宿主细胞運用多种机制对其转座进行严格控制，所以LINE-1在大多数体细胞中是无活性的，然而近年来有研究证实在神经元细胞中LINE-1可以表达并转座，插入基因组的不同位置，导致每个神经元细胞在基因水平上都是独特的。此外，LINE-1的转座可能在长期记忆等方面具有一定生理学意义，也有可能产生一些病理影响。希望本文能对全面了解LINE-1在神经系统中的情况提供一些线索。

[关键词] LINE-1;大脑;神经系统;逆转录转座

[中图分类号] R34          [文献标识码] A          [文章编号] 1673-7210（2019）02（b）-0027-04

[Abstract] Long interspersed nuclear element 1 （LINE-1） belongs to retrotransposon， which is the only currently known active autonomous transposon in human cells. It comprises a large proportion of human genome， and its transposition may induce genetic instability and cause serious consequences. Usually， host cells develope multiple strategies to restrict LINE-1 retrotransposition and LINE-1 is inactive in most somatic cells. However， the nerve cells is an exception： LINE-1 can express and transpose in nerve cells， and each neuron is genetically unique by the fact that LINE-1 can insert into various genomic locations. LINE-1 retrotransposition could contribute to some physiological significance such as long-term memory， on the other hand， the expression of LINE-1 may also have some pathological effects. We hope this paper may shed light on the acknowledgement of function of LINE-1 in the nervous system.

[Key words] LINE-1; Brain; Nervous system; Retrotransposon

转座子是细胞基因组的重要组成部分，约占人类基因组总量的45%，是一类能在基因组移动的DNA重复序列。转座子按照其转座方式主要分为DNA转座子和RNA转座子两大类：DNA转座子利用自身编码的转座酶通过剪切、重新整合等过程将转座基因从基因组的一个位置转移到另一个位置，这类转座子在转座过程中不改变拷贝数，而只是改变其在基因组中的位置[1];RNA转座子也被称为逆转录转座子，它首先转录生成RNA作为中间体，然后逆转录生成cDNA再插入新的染色体位点，因此RNA转座子在转座过程中不但保留了原有位置的转座基因，而且还能将复制的拷贝插入基因组中的新位置[2]。在人类基因组长期的进化过程中，多数转座子都丧失了转座的能力，目前唯一具有自主转座能力的转座子是逆转录转座子长散在核重复序列1（long interspersed nuclear element-1，LINE-1，L1）[2]。

由于L1在人类基因组中占有很高的比例（约17%），而活跃的L1又可以通过插入、缺失、重组和转导等方式影响其他基因的表达，严重地影响了基因组的稳定性，甚至引起基因疾病和癌症[3]。因此，宿主会对L1的转座产生一系列的调控，包括表观遗传学修饰、非编码小RNA干扰、宿主限制因子调控等[4]。之前的研究表明，大多数的逆转录转座都发生在生殖细胞系及癌细胞中，而体细胞的转座则被严格抑制，然而近年来有研究表明，L1会高度活跃在中枢神经系统的某些区域中，并产生相应影响。

1 神经系统中LINE-1功能的初步研究

通常认为每个人的每个细胞都有相同的基因组。实际上在个体的一生中，突变会在细胞中逐渐积累，每个细胞都包含一组独特的基因突变，其中部分基因差异是由逆转录转座子引起，这是因为它们能够复制并转移到基因组的不同位置，从而引起基因突变。2005年，Muotri等[5]首先证实了LINE-1会在哺乳动物大脑的神经祖细胞（neural progenitor cells，NPCs）中进行逆转录转座，随后多项研究同样表明，逆转录转座相关的突变存在于人类的脑细胞中。2015年，Upton等[6]利用单细胞RC-seq测得正常大脑皮层和海马区的每个神经元平均包含多达16和13.7个逆转录转座相关的突变，这表明逆转录转座子可能在健康的大脑中扮演重要角色。

目前已有研究证实内源性逆转录因子L1的插入可以被认为是产生神经元基因组多样性的一种潜在机制。Singer等[7]认为，新的体细胞L1的插入可能会在神经元中通过引起基因组DNA序列和转录组的改变而形成神经元的“基因组可塑性”，并由此影响神经元的行为和可塑性，这种插入可能是大脑基因组多样性产生的一种机制。在其他生理学作用方面，Bachiller等[8]探索了在海马体中L1的逆转录转座和记忆形成之间的关系。通过诱导小鼠海马体中神经元蛋白的合成，并随后提取海马体基因组后利用半定量PCR发现开放阅读框2（ORF2）插入明显增加，这表明在成人海马体中的确有L1的表达。此外，作者进一步研究了L1的激活在学习和记忆过程中的潜在作用，利用拉米夫定特异性阻断L1表达发现对短期记忆没有明显影响，却会损伤长期记忆形成等认知过程。但是由于在此研究中并没有发现ORF1的插入增加，也没有在蛋白水平对L1进行详尽的测定，所以对于L1与记忆形成之间是否的确具有密切联系仍然需要更有说服力的证据。

目前为止，神经系统中L1的转座是否有生理上的必然性仍然亟待研究，但是与其在神经系统中高度活跃密切相关的疾病已有不少研究。

2 LINE-1与神经系统疾病

近年来出现了一系列关于L1活动与神经系统疾病相关的研究，已有实验室发现L1的高度活跃与雷特综合征（RTT）[9]、创伤后应激障碍（PTSD）[10]、精神分裂[10-11]、自闭症[12]、抑郁症[13]、共济失调毛细血管扩张症[14]等具有很强的相关性。

2.1 LINE-1与雷特综合征

RTT是一种严重影响儿童精神运动发育的疾病，临床特征为进行性智力下降、孤独症行为、刻板动作及共济失调。它是一种由与基因沉默有关的甲基结合蛋白（methyl CpG binding protein 2，MeCP2）基因突变引起的神经发育障碍[15]。目前一些报告表明MeCP2的一个作用可能是对L1的转座进行负调控[9，16]。Muotri等[9]发现在NPCs中，MeCP2可以结合在L1启动子中与甲基化DNA结合，并抑制其转录。实验表明MeCP2基因敲除小鼠的神经上皮细胞表达的L1 RNA比野生型对照组多4倍;此外，携带MeCP2基因突变的RTT患者，对L1逆转录转位的敏感性增加。故此研究认为，与疾病相关的基因突变可以影响神经元L1逆转录转座的频率。

2.2 LINE-1与精神分裂症

精神分裂症（schizophrenia）是一种常见的精神病，目前病因未完全阐明，至今还没有确切的实验室检查或者化验结果作为诊断依据。而在近几年有研究发现L1与精神分裂症之间或许有一定程度的关联。

Bundo等[10]称在精神分裂症患者的前额叶皮层和诱导多能干细胞衍生的神经元中L1的拷贝数有所增加，并在全基因组测序后发现L1会插入到精神分裂症和突触功能相关的基因区域中。随后有研究者证实，在大脑的L1插入中，很大一部分位于某些与精神分裂症发病机制路径有关的基因中，L1插入到其蛋白质编码基因的ORF中，很有可能产生相关的基因变异以影响罹患精神分裂症的风险[17]。

2017年，Doyle等[11]假设被诊断为精神分裂症的患者（PDS）可能增加了有害的L1插入，这可能是在大脑表达的背外侧前额叶皮层（DLPFC）神经元的基因中发生的。于是他们对L1插入的序列进行了分析，发现在PDS中，基因内的新L1的比例在统计学上有显著的提高，并发现在ERI3中L1的插入与精神分裂相关。但是Doyle等[18]在对欧洲裔美国人精神分裂症患者体内ERI3基因中L1的测定中却发现，ERI3中L1的插入与精神分裂症的表型无关，这与他们之前得出的结果相互矛盾。

虽然相关研究仍然需要进一步推进，但是从RTT以及精神分裂症相关研究来看，逆转录转座子一旦插入到重要基因中，很有可能产生负面影响，与疾病产生密切相关。

2.3 LINE-1与自闭症

2018年，Shpyleva等[12]观察了四个大脑区域，BA9（额叶皮质）、BA24（前扣带）、BA22（听觉处理）和小脑，发现在自闭症患者的小脑中L1表达明显上升，同时，MeCP2和H3K9me3与L1的结合明显降低，这表明表观遗传抑制能力的下降可能导致了L1表达的增加。此外，也有报道指出，在抑郁症[13]和PTSD[10]中，L1的甲基化有所降低。

不单单是神经方面的疾病，在Doyle等[19]的研究中，发现L1的逆转录转座甚至影响可卡因成瘾的易感性，他们认为这可能是L1插入引起的遗传因素导致。虽然L1与各种神经系统疾病之间的关系仍然需要进一步研究证实，但目前各种证据也显示了脑中的L1转座的重要性。

3 神经系统对LINE-1的调控

无论是在影响长期记忆形成等生理方面还是RTT等病理方面，L1均发挥着不容忽视的作用。与其他体细胞相似，神经系统同样会对L1进行一系列的调控，目前已经有充分证据显示在神经系统中转录因子Sox2和甲基结合蛋白MeCP2均会对L1进行调控。

轉录因子Sox2是SOX区域Y相关高迁移率组（high mobility group，HMG）蛋白家族成员之一，是调节哺乳动物胚胎发育的必要因子之一，在早期胚胎神经细胞中限制性表达，随后发挥抑制神经干细胞分化的作用。Muotri等[5]发现，Sox2可以与L1启动子相互作用，进而抑制小鼠神经干细胞中L1的表达，在神经干细胞分化成NPCs的过程中，Sox2表达降低，L1转录激活，因此可能进行逆转录转座。

除转录因子Sox2会对L1进行调节之外，DNA甲基化也可对L1的转录进行抑制。MeCP2是一种与基因沉默有关的甲基结合蛋白。2009年，Coufal等[20]研究发现MeCP2能够在神经发育过程中对L1进行调节。前文中也提及在Muotri等[9]的研究中发现，在NPCs中，MeCP2可以结合在L1启动子中与甲基化DNA结合，并抑制其转录。Skene等[21]发现了MeCP2基因敲除小鼠的成熟神经元表达了更多的L1，因此认为MeCP2的另一个功能可能是控制成熟神经元中L1的表达。

目前研究发现在其他体细胞当中，有很多细胞蛋白会对L1转座产生影响，如APOBEC3蛋白[22]、MOV10蛋白[23]、SAMHD1蛋白[24]、TREX1蛋白[25]等，而这些蛋白在大脑中是否也能够对L1的转座产生作用仍待探究。

4 结语与展望

在神经系统中，逆转录转座并不罕见，它们高度活跃、高频发生，在NPCs中的转座可以改变附近基因的表达，而这些基因表达的改变又会直接对神经元产生相应影响，甚至神经系统发育中的L1转座可能导致神经系统发育障碍等疾病。那么L1在人类大脑中为何高频转座，是否有其生理学意义？既然L1与神经系统发育疾病具有密切联系，那么是否能通过调控其逆转录转座而对疾病进行治疗？在现有的L1研究基础上，设计开发新的研究方法，进一步探索相关机制，才能更好地理解L1在人类大脑中的作用。

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（收稿日期：2018-08-08  本文編辑：罗乔荔）