動物中DNA轉座子通過兩種機制介導基因重復
轉座子被認為是宿主基因組演化的重要推動力。其類型眾多，包含non-LTR（Long Terminal Repeat）型逆轉座子、LTR型逆轉座子、Helitron型DNA轉座子、TIR（Terminal Inverted Repeat）型DNA轉座子等，可引起包含基因重復（gene duplication）在內的各種遺傳突變。已有研究表明，non-LTR型逆轉座子在人類基因組中介導基因重復，產生大量新基因。2016年，中國科學院院動物研究所研究員張勇研究組研究發現，動物中LTR可借由模板跳轉介導基因重復；Helitron在蝙蝠中通過通讀（transduction）的形式介導基因重復。迄今，TIR型轉座子介導基因重復的能力只在植物中被揭示，其中水稻中的MULE元件捕獲大量宿主基因，形成Pack-MULE的嵌合結構。但TIR型轉座子介導基因重復形成的機制仍不清楚，動物中此類基因重復也鮮有報道。
7月13日，張勇研究組等在Nature Communications上，在線發表了題為DNA transposons mediate duplications via transposition-independent and -dependent mechanisms in metazoans的研究論文。該研究首次大規模搜索了100個動物基因組，鑒定了TIR轉座子介導的基因重復，并將其命名為Pack-TIR。研究發現，大部分基因重復的產生不依賴轉座活性，符合缺口填補（gap-filling）模型；在黑腹果蠅群體基因組數據中找到的最年輕的多拷貝基因Ssk-FB4則符合新提出的模板跳轉及轉座（FoSTeST）模型。蛋白質組、自然選擇壓力分析及表型關聯分析顯示Ssk-FB4s編碼功能蛋白。上述結果證明TIR轉座子可以重塑基因結構，產生新基因。
研究中，科研人員收集了公共數據庫UCSC中100個后生動物的基因組，計算分析鑒定出370個Pack-TIR元件（圖1A）。進而，同時在黑腹果蠅群體中鑒定出一個多拷貝Pack-TIR家族：Ssk-FB4（由FB4 轉座子捕獲基因Ssk所形成的新基因）。其基因結構和植物中Pack-MULE相似，中間為捕獲的外源序列，兩側為TIR轉座子序列（圖1B）。
研究發現，Pack-TIR與TIR轉座子數目成線性正相關（圖2A)。對靈長類譜系中Pack-TIR的起源時間分析發現，其零散分布在各演化枝上（圖2B）。這些Pack-TIR在各個時間段皆有起源，即使宿主編碼的轉座子已喪失轉座活性。由此推斷，大部分Pack-TIR的產生不依賴于轉座活性（transposition-independent）。多方面證據表明，Pack-TIR的形成符合缺口填補（gap-filling）模型（圖2C）：Pack-TIR的豐度與其到母源序列的距離呈負相關，即TIR轉座子傾向于捕獲臨近序列；67.6%事件含有微同源序列（Pack-TIR與母源序列共享較短的相似序列）；靈長類物種間的比較分析顯示，轉座子和外源序列是先后插入的兩次獨立事件。隨后，研究人員發現果蠅中Ssk-FB4其形成過程與缺口填補模型不符，因此提出復制叉停滯-模板跳轉-轉座（FoSTeST）這一新模型來解釋多拷貝Pack-TIR的產生（圖2D）。該模型與缺口填補模型不同，模板跳轉后轉座酶會立即將嵌合的Pack-TIR轉座到基因組其它位置，科研人員的策略及發現對植物中Pack-MULE的起源機制研究將具有啟發意義。
除機制方面的分析，科研人員還結合轉錄組數據和進化基因組數據探索Pack-TIRs的功能。研究發現，Pack-TIR傾向于捕獲外顯子序列，且大部分與所在基因發生融合，具有轉錄信號（圖3A）。Ssk-FB4是罕見的編碼功能蛋白的例子，所有拷貝不僅顯示出較高的轉錄和翻譯水平（圖3B-C），且各拷貝的非同義突變在細胞膜外結構域顯著富集，暗示其受到正選擇（圖3D）。此外，突變機制所賦予的Ssk-FB4嵌合結構使其更容易發揮新功能，可能增加果蠅抵御環境中致病微生物的能力（圖3E-F）；轉座帶來的拷貝數增加使自然選擇有更多的作用對象，推動了適應性進化更快發生。
該研究由中國科學院動物研究所、法國居里研究所、北京大學腫瘤醫院等機構合作完成。研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中科院青年創新促進會等資助。
圖1.動物中Pack-TIR分布及結構示意圖。（A）370個Pack-TIR在100個動物中分布情況。圓圈內數字表示對應物種的Pack-TIR數目。（B）黑腹果蠅群體中Ssk-FB4的基因結構。藍色片段為Ssk的外顯子，黑色和灰片段為FB4序列。
圖2.動物中Pack-TIR形成的兩種機制。（A）各物種或各轉座子超家族中Pack-TIR與TIR轉座子數目的線性關系。（B）Pack-TIR在靈長類動物演化樹上的分布，數字表示Pack-TIR出現在某一特定演化枝的個數，下方顯示了轉座子活躍與否的時間，單位為百萬年。（C）缺口填補模型示意圖。紅色片段及兩側箭頭表示為DNA轉座子，藍色片段為外源序列。該圖顯示轉座子內部雙鏈斷裂，也可能是轉座子的自主切割引發缺口。（D）FoSTeST模型示意圖。1.復制叉停滯在轉座子處并發生雙鏈斷裂；2.轉座子和母源序列空間接近，導致修復時模板跳轉產生嵌合片段；3.轉座酶識別嵌合片段，切割插入到其它位置；4.由于Ssk-FB4保留轉座子的末端反向重復序列（TIR），在轉座酶的幫助下增加其拷貝數。
圖3.Pack-TIRs的表達、選擇和關聯分析。（A）人類中Pack-TIR捕獲序列的類型分布情況。（B）Ssk、Ssk-FB4、FB4在六個黑腹果蠅品系五個組織內的表達譜，表達值為log2(TPM值)。（C）Ssk和Ssk-FB4蛋白水平的表達量。（D）Ssk-FB4/Ssk蛋白非同義突變積累分布圖。（E）Ssk和Ssk-FB4蛋白與Mesh蛋白免疫共沉淀前后的蛋白定量數據。與母本基因Ssk不同，Ssk-FB4與Mesh互作水平較弱，暗示其具有新功能。（F）黑腹果蠅DGRP品系在真菌Metarhizium anisopliae Ma549感染后的壽命半衰期值。
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