科学家惊爆：“自私 DNA”关乎人类早期发育

西奈健康研究人员发现，人类早期发育的一个关键转变并非由我们自身的基因所调控，而是受被称为转座子的 DNA 元素调控，这些元素可以在基因组中移动。

这一非凡的发现挑战了我们此前对这些难以捉摸的 DNA 片段的理解，为其在人类发育和疾病中所起的作用带来新的启示。

“人们往往认为转座子类似于病毒，它们劫持我们的细胞仅仅是为了自我繁殖，”该研究的资深合著者、西奈健康旗下卢嫩菲尔德-塔南鲍姆研究所（LTRI）的高级研究员、多伦多大学分子遗传学系教授米格尔·拉马略-桑托斯博士说。

“但在这里，我们发现这些元素并非仅仅是基因组寄生虫，而是早期发育所必需的元素，”拥有加拿大 150 发育表观遗传学研究主席职位的拉马略-桑托斯博士说。

他们的研究发表在《发育细胞》杂志上，表明转座元件对于确保人类胚胎细胞在早期发育过程中正常进展而非倒退至关重要。

研究人员重点关注了名为 LINE-1 的转座元件，也就是长散在核元件-1。

我们自身的基因在我们的基因组中所占比例不到 2%，与之不同的是，LINE-1 元件在我们细胞的遗传物质中占比竟高达 20%，这一比例令人震惊。

一些 LINE-1 元件能够扩增，还能在基因组中移动，并插入新的位置。

由于它们以一种可能会破坏正常基因功能的方式自行传播，所以它们获得了“自私 DNA”的称号。

多年来，科学家们觉得这些元件大多有害，偶尔还会在基因组中造成严重破坏，进而导致从血友病到神经障碍以及癌症等各种各样的疾病。

领导这项研究的高级合著者兼博士后研究员胡安·张博士最初发现，LINE-1 的 RNA 信息在早期胚胎中大量存在，这十分有趣。

RNA 信息分子是从活跃的基因组部分转录而来的，这表明 LINE-1 元件在这些关键的早期阶段处于激活状态。

“如果转座子是有害且危险的，那为什么我们会看到它们在早期胚胎中活跃存在？这是一个刚刚开始形成的胚胎。在这个时候，任何危险的基因插入都会在个体的其余发育过程中延续，”张博士说。

当张博士抑制培养的人类胚胎干细胞（ESCs）中的 LINE-1 表达时，出现逆转，让其回到更原始的 8 细胞阶段。在这个阶段，八个细胞中的每一个都是相同的且全能的，能够发育成胚胎和胎盘。然而，超过这个阶段，虽然胚胎干细胞仍然可以形成所有的胎儿细胞，但它们对胎盘的贡献程度逐渐降低，胚胎通过胎盘从母亲那里获得营养。

进一步的实验表明，这些 LINE-1 信使分子充当起支架的作用，在细胞细胞核的 3D 空间中组织 DNA。它们帮助将 19 号染色体——8 细胞阶段关键基因的所在之处——移动到细胞核的基因沉默区域，确保胚胎能够顺利进入后续阶段。

“我们表明，LINE-1 在胚胎开始让细胞专门服务于各种功能的关键的转折节点调节基因表达。我们的结果表明，这不是偶然发生的，而是一个重要的进化机制，”张博士说。

让人更为惊讶的是，LINE-1 元素的这一新作用偏离了其跳到新基因组位置进而可能引发有害突变的典型行为。相反，在这种关键情况下，LINE-1 元素专门推动发育进程，这一独特的作用突显了它们在人类早期生长中的重要性。

这项基础性研究对于生育治疗以及再生医学中干细胞的运用具有重要意义。此外，这项工作揭示了 LINE1 的新作用，如今能够在与其相关的疾病情境中加以探索，涵盖从神经系统疾病到癌症。

西奈健康 LTRI 主任兼研究副总裁的安妮-克洛德·金格拉斯博士说道：“这项研究凸显出我们还有诸多需要学习的内容，不仅是有关人类发育方面，还有这些神秘的基因组元素，它们的作用才刚刚崭露头角。

“我祝贺我的同事们在人类生物学领域取得了这一迷人的新见解，我热切期盼着他们继续工作时能有更多的发现。”