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2022年4月13日 理化研究所 精子的表基因因人而异-生殖细胞中反转录元件的不完全控制- 由理化研究所(理研)开拓研究总部真贝细胞记忆研究室的福田溪研究员(研究当时)、真贝洋一主任研究员等组成的联合研究小组，明确了男性生殖细胞中复古元素[1]受到控制的机制。 本研究成果有望与生殖细胞的表型基因组[2]形成机制和男性不育的理解相关。 生殖细胞中反转录元件的异常激活被认为会增加不育和下一代的疾病风险，但其调控机制尚不清楚。 这次，联合研究小组在基因组范围内分析了与人类生殖细胞中反转录要素抑制相关的DNA甲基化[3]。 结果表明，作为生殖细胞来源的原始生殖细胞[4]中，反转录因子依赖于DNA序列而甲基化，而精子分化过程中，插入的基因组区域的环境决定了是否甲基化。 此外，研究人员还发现，在精子分化过程中，反转录因子的甲基化效率因人而异，反转录因子可创造精子表基因组的个体多样性。 这些结果表明，男性生殖细胞中反转录元件甲基化调控机制的一部分。 本研究刊登在在线科学杂志《eLife》( 3月22日)上。 男性生殖细胞中反转录元件的甲基化调控 图2 SVA的结构进化及其在原始生殖细胞中的甲基化状态
( a )灵长类特异性逆转录酶SVA在与长臂猿分支后出现，并在进化过程中不断增加拷贝数。 人们认为，为了避免宿主的抑制，DNA序列发生变化的拷贝被扩增，从而在进化过程中出现了新类型的SVA，如SVA_A→SVA_B→SVA_C…。 此次发现，只有最古老类型的sva——sva _ a (红色文字)才能在原始生殖细胞中被高甲基化。
( b ) SVA_A存在多个在原始生殖细胞中特别高表达的KRAB-ZFP(ZNF257/28 )的结合主题。 另一方面，在原始生殖细胞脱甲基化的新型SVA中，未见这些KRAB-ZFP结合主题。 据推测，由于KRAB-ZFP可导致转录抑制因子，如DNA甲基化酶，新型SVA因失去KRAB-ZFP结合主题而避免了原始生殖细胞中的甲基化。
接下来，在调查原始生殖细胞中脱甲基化的反转录元件在精子形成过程中是否会再甲基化时，发现在精子形成过程中被转录的区域中与转录方向反向插入的反转录元件被甲基化了(图3 )。 精子形成过程中甲基化的逆转录酶与不甲基化的逆转录酶在DNA序列上没有发现大的差异，因此推测转录产物为靶的机制而不是以DNA序列为靶的机制会使逆转录酶甲基化。 此外，研究还发现，与这种转录相关的甲基化效率存在个体差异，精子中逆转录元素甲基化程度较低和较高的个体存在(图3 )。 图3精子形成过程中SVA的甲基化动态
上段:原始生殖细胞中去甲基化的SVA中，在基因内部，与基因反向插入的SVA在精子形成过程中有甲基化的趋势。 但其效率因人而异，形成精子中的表基因多样性。
下段:插入非转录区的SVA不甲基化。
本研究结果表明，逆转录酶在生殖细胞发生阶段会被不同的机制甲基化。 并且，提示了生殖细胞中反转录元件的抑制状态在个人之间是不同的。 今后的期待
本研究明确了人的生殖细胞中哪些反转录因子是甲基化的目标，同时发现精子中反转录因子的甲基化状态在个体之间存在多样性。
复古元素的激活可能会引起不育和基因组异常，因此本研究成果有望对理解男性不育和遗传病的形成机制做出贡献。 此外，如果今后能明确抗逆转录酶抑制状态个体之间差异背景下的遗传因子和环境因子，也有望进一步阐明生殖细胞中的抗逆转录酶抑制机制。 补充说明
1 .复古元素
自私的DNA因子，利用逆转录酶从转录产生的RNA复制自身，插入与原本存在的基因组区域不同的区域，从而扩增拷贝数。 复古元素的激活与癌症、不孕、精神病等多种疾病相关。
2 .表基因
在基因组DNA和DNA缠绕的组蛋白蛋白质中看到的化学修饰的总体。 众所周知，表基因的异常会引起以癌症为首的各种疾病。
3.DNA甲基化
哺乳动物DNA甲基化中，花青素( CG )序列的c主要由甲基修饰。 在体细胞中大部分CG序列甲基化，但在基因表达调节区往往处于低甲基化状态，基因表达调节区的DNA甲基化基本上与转录抑制相关。
4 .原始生殖细胞
作为所有生殖细胞来源的细胞种类，在胚胎期暂时出现。 雌性经过卵原细胞卵母细胞分化为卵子，雄性经过精原细胞精母细胞精细胞分化为精子。 在原始生殖细胞中，由于要重置体细胞的表基因信息，因此会产生以DNA甲基化的去甲基化为首的各种表基因的重新编程。
5 .转座子
是在细胞内在基因组上移动(转移)位置的DNA序列，也称为转移因子。 有以Cut-And-Paste方式转移的DNA型和以Copy-And-Paste方式转移的RNA型两种。 转座子的转移常被称为“自私因子”或“有害因子”，因为转座子的转移会给宿主带来障碍，但近年来，在进化过程中获得功能，宿主生存所必需的转座子也逐渐明确。
6.SVA
灵长类特异性复古元素，融合了各种反复序列。 人类基因组上约存在2,700个拷贝。 SVA_E/F是人特异性SVA类型，保持转移活性。 据报道，SVA的插入会引起附近基因的表达和剪接模式异常，并与福山型肌肉营养不良和帕金森病等各种疾病相关。 SVA是SINE-VNTR-Alu的缩写。
7.KRAB-ZFP
具有KRAB结构域的C2H2型DNA结合蛋白，人类基因组中有350种左右。 大多数KRAB-ZFP与逆转录酶结合，将DNA甲基化酶等转录抑制因子导入逆转录酶。 KRAB-ZFP和复古元素被认为是相互竞争进化的。 KRAB-ZFP是the krüpel-associated box zinc finger protein的缩写。
联合研究组
理化研究所开拓研究总部盱眙细胞记忆研究室
研究员(研究当时)福田溪
主任研究员真贝洋一
东京大学定量生命科学研究所
教授冈田由纪
助教(研究当时)牧野吉伦
东京牙科大学
外聘讲师兼子智 原论文信息 Kei Fukuda, Yoshinori Makino, Satoru Kaneko, Chikako Shimura, Yuki Okada, Kenji Ichiyanagi, Yoichi Shinkai, "Potential role of KRAB-ZFP binding and transcriptional states on DNA methylation of retroelements in human male germ cells", eLife,10.7554/eLife.76822 |
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