基因組的很大一部分由重復(fù)序列組成，即轉(zhuǎn)座子。它們參與許多重要的過程，例如早期胚胎發(fā)育以及調(diào)控基因表達(dá)。轉(zhuǎn)座子能夠改變其在基因組中的位置。然而，它們并非能跳轉(zhuǎn)到DNA的任何區(qū)域，因?yàn)镈NA并非松散的線狀結(jié)構(gòu)，而是在細(xì)胞核內(nèi)緊密折疊形成染色質(zhì)結(jié)構(gòu)。其中一些區(qū)域高度壓縮可及性低。
基于這一認(rèn)識，Karlsruher 理工學(xué)院（KIT）生物與化學(xué)系統(tǒng)研究所的Lennart Hilbert教授及其研究團(tuán)隊(duì)揭示了轉(zhuǎn)座子成簇插入現(xiàn)象的原因。Hilbert解釋道：“轉(zhuǎn)座子可以在某些特定位置‘展開’基因組，使其更易于其他轉(zhuǎn)座子進(jìn)入。”這會產(chǎn)生一種正反饋，即第一個轉(zhuǎn)座子導(dǎo)致局部染色質(zhì)去壓縮，吸引其它的轉(zhuǎn)座子緊隨其后插入該區(qū)域，通過逐步擴(kuò)展形成環(huán)狀結(jié)構(gòu)（loop），最終導(dǎo)致單個轉(zhuǎn)座事件轉(zhuǎn)變?yōu)槌纱夭迦搿?/span>
計算機(jī)模擬轉(zhuǎn)座子成簇機(jī)制
研究人員開發(fā)了一種計算機(jī)模擬程序，精確重現(xiàn)了這一過程。在模擬過程中，隨著每個新增轉(zhuǎn)座子的插入，染色質(zhì)逐步去壓縮。導(dǎo)致受影響的基因組區(qū)域形成并逐步擴(kuò)展出環(huán)狀結(jié)構(gòu)，新插入的轉(zhuǎn)座子便在其中成簇聚集。
圖片鏈接：https://www.eurekalert.org/multimedia/1078280
圖片信息：基因組模擬中環(huán)狀結(jié)構(gòu)（loop）的形成過程。
進(jìn)化“馴化”轉(zhuǎn)座子
在分析轉(zhuǎn)座子進(jìn)化過程中的機(jī)械特性時，研究人員意外發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)轉(zhuǎn)座子現(xiàn)在已經(jīng)失去活性，因此不再跳躍，但它們在數(shù)百萬年間重塑了基因組結(jié)構(gòu)。“我們發(fā)現(xiàn)，那些跳躍或直到最近仍在活躍的轉(zhuǎn)座子，其結(jié)構(gòu)尤為靈活，”Hilbert表示：“在進(jìn)化歷史中，轉(zhuǎn)座子的主動跳躍階段越久，其靈活性就越低。這一出乎意料的特征表明，在進(jìn)化過程中，轉(zhuǎn)座子的跳躍能力被‘馴化’了。”
這些轉(zhuǎn)座子行為（特別是成簇插入機(jī)制和進(jìn)化“馴化”）的發(fā)現(xiàn)，有助于更好地理解基因組在數(shù)百萬年間是如何形成的。它們對于理解某些遺傳物質(zhì)變化的機(jī)制也具有重要意義。其中，LINE-1轉(zhuǎn)座子尤其令人關(guān)注。LINE-1序列（Long Intersscattered Nuclear Element-1）是一類重復(fù)DNA序列家族，構(gòu)成了人類基因組的很大一部分。在某些遺傳或表觀遺傳變異情況下它們會被重新激活并恢復(fù)轉(zhuǎn)座活性。它們在基因組中的不受控的轉(zhuǎn)座移動可能導(dǎo)致插入突變、DNA損傷等遺傳變異。
期刊：Biophysical Journal
DOI：10.1016/j.bpj.2025.03.038
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