Nature：逆转录转座子劫持alt-EJ进行DNA复制和eccDNA生物生成

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题目：Retrotransposons hijack alt-EJ for DNA replication and eccDNA biogenesis

期刊：Nature

IF：69.504

发表时间：2023年7月12日

通讯作者单位：杜克大学

DOI：https://doi.org/10.1038/s41586-023-06327-7

主要内容：

反转座子是动物基因组中的 DNA 序列，可以复制并重新插入基因组。在苍蝇和其他模式系统中进行的实验显示，逆转录病毒 "劫持 "宿主细胞中的DNA修复途径，产生环状DNA，使其能够复制并随后重新插入基因组。

我们的基因组中存在各种DNA片段，它们会移动到基因组的其他部分。在这些 "基因寄生虫 "中，反转座子尤其引人关注。这些元件可以将自己 "复制和粘贴 "到宿主基因组的不同位置，它们的激活可导致基因变异、进化和疾病。一个长期存在的问题是这些反转座子是如何自我复制的。20 世纪 80 年代，科学家发现逆转录病毒表达的信使 RNA 可以转化为双链 DNA。然而，在过去的几十年里，人们在了解双链 DNA 是如何形成的方面进展甚微。鉴于逆转录转座子在基因组不稳定性和癌症等疾病中的潜在作用，这一知识空白非常重要。通过揭示逆转录病毒如何复制，可以对其更广泛的生物学相关性及其在疾病中的作用获得宝贵的见解，并有可能发现治疗干预的途径。

这项研究以一种基因工程蝇株为起点，这种蝇株在一个名为 HMS-Beagle 的特定逆转录转座子上含有一个荧光标签。该标签可作为基因组中任何新插入的逆转录转座子的标记，使作者能够跟踪逆转录转座子的行为和复制。为了检测新插入的基因，作者使用了一种叫做纳米孔测序的技术，它可以直接分析长的DNA链。令人惊讶的是，作者发现大多数新添加的逆转录转座子拷贝都是以环状DNA的形式存在，与宿主染色体分离，而不是整合到基因组中。随后，作者系统地降低了参与各种 DNA 修复途径的多个基因的表达量，以筛选环状 DNA 形成所必需的因子（图 1）。本研究开发的创新测序平台eccDNA-seq验证了这一筛选的阳性结果。此外，作者还将这项研究扩展到了小鼠和其他逆转录转座子，以验证环状 DNA 的产生是一个进化保守的过程。

作者发现，逆转录病毒在复制过程中会产生环状 DNA 分子。基因筛选和进一步的实验发现，环状 DNA 的形成（图 1）需要一个叫做替代末端连接（alt-EJ）的过程，它能修复双链 DNA 的断裂，因此也是逆转录载体动员的必要条件。这些发现对以前的模型提出了质疑，以前的模型认为环状 DNA 只是复制中止的副产品2，而这些发现表明环状 DNA 的形成是逆转录质子动员的核心。此外，这些发现还有助于作者了解 Alt-EJ 途径如何通过驱动逆转录转座子 DNA 的复制而潜在地促进逆转录转座子的动员。这项研究将循环 DNA 带到了逆转录转座子生物学的中心舞台。

作者的发现对于理解逆转录转座子在基因组动态中的作用及其对宿主基因组的潜在影响具有更广泛的意义。例如，人们认为逆转录转座子是古代病毒感染的 "化石"，嵌入了作者的 DNA 中。有趣的是，艾滋病毒也会在宿主细胞中形成环状 DNA。因此，这些发现不仅可以改进逆转录病毒的环状 DNA 生成和功能的现有模型，还可以改进逆转录病毒（如 HIV）的环状 DNA 生成和功能的现有模型。如果艾滋病病毒表现出与逆转录病毒类似的复制模式，那么抑制环状 DNA 的形成就可能成为一种针对该病毒的治疗策略。因此，这些发现不仅有助于作者了解逆转录病毒的 "生命周期"，而且对基因组学、进化生物学和疾病等领域也有影响。

作者的研究重点是苍蝇和小鼠体内的特定逆转录转座子。逆转录转座子通常与其宿主共同进化4，因此找出不同转座子和宿主物种复制过程中涉及的共同和特定因素将很有意义。

这项研究没有广泛探讨环状 DNA 在宿主细胞中的潜在生物学作用。此外，与环状 DNA 形成有关的 Alt-EJ 因子的确切分子功能仍不清楚。此外，逆转录转座子可在早期胚胎发育、老化、神经元变性和癌症过程中被激活。在这些情况下探索环状 DNA 的形成可能具有启发性。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-06327-7

转自：“生物医学科研之家”微信公众号

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