Nature｜“跳跃基因”可改变人类结直肠基因组，为研究衰老和肿瘤发生打开新思路

从第一次细胞分裂开始，体细胞突变就开始在个体细胞中积累。此前关于体细胞突变的研究主要集中在核苷酸变异上，对复杂的结构事件研究仍然很少，部分原因是它们相对稀少，并且存在检测方面的技术挑战，特别是在单细胞分辨率方面。

L1，也称LINE-1（Long interspersed nuclear element-1）逆转座子是人类基因组中广泛存在的可移动元件，是一种此前被认为主要处于休眠状态的跳跃基因。目前，已知L1跳跃基因大约有50万个，占人类基因组的17%，但大多数L1跳跃基因在现代人的正常组织中已经失去了跳跃能力，无法进行进一步转座。迄今为止，人们在癌症基因组等研究中已经发现了264个具有逆转录活性的L1（rc-L1），在几种疾病的组织遗传分析中也发现了L1逆转座子。在特定的癌症类型中，包括食管癌和结肠直肠癌，表现出较高的体细胞L1逆转座事件（soL1Rs）负荷，这通常导致癌症基因的改变，意味着L1逆转座子在人类疾病发展中发挥了作用，且需要更系统的表征。

近日，来自韩国高级科学技术研究院（KAIST）和Genome Insight公司的研究人员及合作者针对人类大肠全基因组中的“跳跃基因”进行了开创性的研究，并在Nature发表了题为“Widespread somatic L1 retrotransposition in normal colorectal epithelium”的研究论文。研究团队分析了从单细胞（以下简称克隆）扩增的菌落的全基因组序列，并进一步从相同克隆中同时进行多组学分析，以准确检测多个克隆共享的早期胚胎发生事件，深入探索了人类基因组正常细胞中L1逆转录转座诱导的突变景观。

文章发表在Nature

研究人员从28名个体收集了结直肠上皮、血液和息肉等组织样本的三种不同细胞类型，同时，研究人员还分析了来自正常结直肠克隆供体的19个匹配结直肠癌组织。基于这些序列评估了体细胞获得性突变，包括SNV、Indels、SV和soL1Rs。

研究人员共测序了899个单细胞克隆的全基因组序列，确定了1708个soL1R。分析发现，克隆中的大多数soL1R是真正的体细胞事件。在887个健康结直肠克隆的1,250个soL1R中，98.9%来自结直肠上皮，显示出极强的细胞类型特异性。大多数正常的结直肠癌克隆（88%）至少有一个soL1R，平均每个克隆有三个事件。

值得注意的是，克隆中的soL1R比其他经典体细胞结构变异类型更为丰富。此外，在结直肠上皮中，不同克隆和个体的soL1R负荷存在显著差异，这些事件在结直肠上皮细胞中十分常见，并与年龄呈正相关。

图1. 正常细胞中的体细胞L1逆转座子

正常结直肠克隆soL1R的反转录片段多为重复L1序列的3′部分。偶尔，L1来源的独特下游序列在有或没有L1序列的情况下被逆转录，在转导事件中，使用独特的序列作为L1源的条形码，可以对其源元件（source elements）进行指纹识别。结合结直肠克隆和癌症组织，研究团队发现了217个转导事件，包括34个rc-L1，它们每一个都对结直肠克隆中不同数量的转导有贡献。其中12个是新的rc-L1，表明在人类基因组中正在获得新的rc-L1来源。

图2. L1源元件活动的动力学

此外，研究人员探索了正常细胞中差异rc-L1活性的表观遗传基础，结合已建立的克隆子集中的全基因组DNA甲基化（139个克隆）和RNA表达谱（116个克隆），发现这些克隆在位点特异性L1启动子甲基化和转录之间表现出强烈的负相关，表明L1启动子去甲基化是L1转录的主要开关。此外，来自各种组织的全基因组DNA甲基化谱表明，结直肠组织具有比任何其他细胞类型更高的rc-L1启动子去甲基化频率。

此外，研究发现L1启动子表观基因型主要在胚胎发育中确定。在最早胚胎阶段形成的完全去甲基化的rc-L1启动子在随后的结肠直肠上皮谱系中没有充分再甲基化。随着时间的推移，去甲基化的rc-L1启动子在体细胞谱系中是稳定的。以上结果表明，表观遗传变化在调节L1跳跃基因活性方面起着关键作用。

图3. L1源元素活性的调节

进一步分析表明，19个匹配结直肠癌中的soL1R负荷显示出相当大的差异，平均每个癌症的soL1R负荷为30，比正常结直肠的克隆频率高约10倍，结直肠癌中的soL1R率比正常结直肠上皮的soL1R率高约三倍。

图5. 体细胞L1逆转座子的图谱

综上所述，该研究阐明了正常细胞中L1逆转座诱导的体细胞嵌合现象，为人类转座子的基因组和表观基因组调控提供了见解。rc-L1的全部基因遗传自父母，其表观遗传激活主要在原肠胚形成后胚胎阶段决定，然后在衰老过程中在体细胞谱系中稳健地传递。虽然该研究理清了一些机制，但在正常细胞中L1逆转录转座的动力学还有许多待发现的事件。差异启动子去甲基化中基因座和细胞类型特异性的机制基础还不清楚。未来，还需要从衰老和疾病进展的不同时间点，解析更多不同细胞类型的单细胞全景图。

KAIST教授Young Seok Ju表示：“该研究表明，正常细胞的基因组损伤不仅是通过暴露于致癌物中获得的，也可以通过内源性成分的活性获得，而内源性成分的影响此前尚不清楚。看起来健康的衰老细胞，特别是结直肠上皮细胞的基因组，由于L1跳跃基因的活性而变成嵌合体。”

参考资料：

1.Nam, C. H., Youk, J., Kim, J. Y., Lim, J., Park, J. W., Oh, S. A., Lee, H. J., Park, J. W., Won, H., Lee, Y., Jeong, S. Y., Lee, D. S., Oh, J. W., Han, J., Lee, J., Kwon, H. W., Kim, M. J., & Ju, Y. S. (2023). Widespread somatic L1 retrotransposition in normal colorectal epithelium. Nature, 617(7961), 540–547. https://doi.org/10.1038/s41586-023-06046-z.

2.'Jumping genes' found to alter human colon genomes, offering insights into aging and tumorigenesis.

https://medicalxpress.com/news/2023-05-genes-human-colon-genomes-insights.html.