如何阻止入侵的跳跃基因

自从1983年卡内基研究所的Barbara McClintock因发现跳跃基因而获得诺贝尔奖以来，我们已经了解到我们几乎有一半的DNA由跳跃基因组成 - 称为转座子。鉴于它们能够在发育精子和卵细胞的基因组中跳跃，它们的入侵会引发DNA损伤和突变。这经常导致动物不育甚至死亡，威胁物种的生存。丰富的跳跃基因意味着生物体已经存活了数百万甚至数十亿的转座子入侵。然而，人们对这种适应性的来源知之甚少。

现在，一组卡内基研究人员发现，在跳跃基因入侵时，生殖干细胞会促进非编码RNA元件(piRNA)的产生，从而抑制其活性并激活DNA修复过程，从而促进正常的卵子发育。结果发表于2018年11月1日的Developmental Cell杂志。

研究人员研究了果蝇Drosophila melanogaster中的跳跃基因 - 一种研究发育精子和卵细胞中跳跃基因的经典模型。为了建立一个研究跳跃基因适应的强大系统，研究人员需要一种工具来控制它们的活动。四十年来人们已经知道，环境温度会影响果蝇在跳跃基因入侵时的不育程度。在77华氏度(25摄氏度)的温度下，后代有无菌的卵巢，而在64华氏度(18摄氏度)的后代有完全发育和可育的卵巢。

“因为众所周知温度会影响不育，我们决定量化这种跳跃基因在不同温度下的活动率。我们发现在卵巢干细胞中，77°F时基因动员的跳跃率是7倍，这意味着我们可以简单地利用温度来控制跳跃基因的入侵强度，“该论文的第一作者Sungjin Moon说。

由职员助理赵章领导的初级研究小组包括卡内基的Sungjin Moon，Madeline Cassani，Yu An Lin，Lu Wang和Kun Dou。有了这些知识，该团队将飞成虫卵巢建立为一个强大的平台，以揭示潜在的适应机制。他们发现，生殖干细胞利用一种新的适应性反应，通过激活所谓的DNA损伤检查点来“迅速驯服”入侵的元素。这是一个在细胞分裂之前激活细胞周期暂停以修复受损DNA的过程。一个名为Chk2的检查点组件被发现是关键。修复过程中的这种停顿扩大了piRNA的产生 - 那些使编码基因沉默的非编码RNA元件。

“跳跃的基因入侵引发了所有生物体的灾难性基因组不稳定性，”赵章说。“它们大大降低了入侵动物的生存能力和繁殖力，并可能导致人口危机。我们相信，生殖干细胞以这种方式快速适应和恢复生育能力，使物种能够抵抗这种人口崩溃。这种机制是物种生存的关键。“

这项工作得到了美国国立卫生研究院向ZZ(DP5 OD021355)和卡内基科学研究所捐赠的资助。

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