Barbara McClintock于20世纪40年代末在玉米中首次发现转座子（转座子元件），也称为“跳跃基因”，它们是能够从基因组中的一个位置移动到另一个位置的DNA序列。

这个发现起初遭到了很多人的质疑。

在基因组中移动的DNA片段能带来什么好处呢？

几十年后，生物学家才完全明白，转座子不仅存在于玉米中，而且几乎出现在所有的生物体中，包括人类。

人们认为，转座子和它们的残余物在我们的基因组中到处可见，是因为它们曾经在物种的形成和进化中发挥了关键作用，是进化中新突变的来源之一。

跳跃基因给生物体提供了一种优势，帮助生物体更好地生存。

遗留问题是，我们人类DNA的很大一部分（接近50%）包含了这些片段的许多拷贝。

它们中的大多数不再有功能，或被分子控制所抑制。

但有些仍保持完整，并在细胞发育和胚胎形成过程中变得活跃，或对环境压力和衰老作出反应，进而可能对我们的基因组造成破坏。

转座子有不同的长度，从几百到数千个碱基对不等。

它们通常根据移动方式进行分类。

如果使用逆转录将DNA序列从一个点复制并粘贴到另一个点，则它们被归类为逆转座子。

如果用转座子将DNA序列从一个地方剪切并粘贴到另一个地方，则称为DNA转座子。

转座子按照能否自主移动，可分为自主型和非自主型。

自主型元件通常含有 gag和pol 两个基因，前者负责编码衣壳蛋白，后者负责编码多功能蛋白 ，具有蛋白酶、反转录酶、RNase H以及整合酶的活性功能域；非自主型元件缺少完整或大部分转座所需蛋白的编码基因，其对应于自主元件的区域由不相关的序列或宿主序列组成。

LINE-1

Long Interspersed Nuclear Elements（LINEs）是一个自主逆转座子家族，LINE-1、LINE-2和LINE-3在基因组中的占比非常高。

其中，LINE-1（或L1）的占比又是最高的，占人类基因组的17%左右，拷贝数估计约为50万。其中大多数是不具有功能的，因为突变或缺失使它们不能逆转座。

然而，大约有100个左右仍然完好无损，有时被称为human-specific Line 1（L1Hs），保留了复制和粘贴到新位置的潜力。

作为自主逆转座子，LINE-1元件包含从一个地方移动到另一个地方所需的编码序列，它们通过逆转录来实现复制粘贴序列。

全长LINE-1序列为6000–7000 kb，包含两个开放阅读框ORF1和ORF2，这两个都是逆转录转座所需的，它的两侧为5'UTR序列和3'UTR序列。

将LINE-1序列从一个地方复制到另一个地方的过程始于RNA聚合酶II与LINE-1基因序列的5'-UTR启动子区域结合，并促进LINE-1 mRNA的转录。

随后LINE-1 mRNA被输出到细胞质中，在细胞质中ORF1和ORF2被翻译成ORF1p和ORF2p蛋白，并与LINE-1的mRNA结合形成核糖核蛋白（RNP）。

RNP回到细胞核，在那里它通过一个称为靶序列引发逆转录（TPRT）的过程与DNA相互作用。

它切割DNA，产生一个3'羟基末端，作为LINE-1 mRNA逆转录的引物，产生与LINE-1基因互补的DNA。

LINE-1 RNP也可以与其他RNA形成复合物，将其互补DNA插入基因组。

例如，Alu序列是仅有约300 bp长的短散在核元件（SINE），本身不包含任何蛋白质编码基因。

但它们含有RNA聚合酶III的转录位点，该酶产生Alu RNA。

LINE-1 RNP机制可以与Alu RNA复合，促使逆转录产生Alu cDNA，并将其插入基因组的其它地方。

LINE-1的抑制

人类DNA中依然保存着大约100个完好无损的LINE-1元件，它们通过DNA甲基化与组蛋白修饰相结合的方式被抑制而处于隔绝状态，组蛋白修饰使LINE-1 DNA保持异染色质状态（染色质的浓缩、基因抑制状态）。

控制像LINE-1这样的跳跃转座子被认为是生物体中DNA甲基化最古老的功能之一。CpG密集型基因启动子中的DNA甲基化长期以来与基因沉默相关。

甲基化胞嘧啶是甲基CpG结合蛋白的靶标，它们招募抑制性表观遗传因子，并且它们还使DNA更紧密地包裹组蛋白。

研究表明，全长LINE-1在5'UTR中含有约900 bp富含CpG的启动子区域，前100 bp最关键的启动子通过RNA聚合酶II的募集强烈驱动mRNA转录。

在正常健康的体细胞中，LINE-1启动子中的大多数CpG和非CpG二核苷酸被甲基化，而这些甲基化的丢失与LINE-1 mRNA表达的增强密切相关。

在启动子区域内发现了许多调控元件，这些元件招募DNA结合蛋白。

LINE-1启动子包含一个启动子元件（Inr），它指导第一个核苷酸的转录。

现有一些研究已经发现，一些转录因子参与LINE-1的激活与沉默，如，YY1和RUNX3与LINE-1激活有关，而E2F/Rb和MeCP2被认为是LINE-1沉默的直接原因。

其它几种蛋白质，包括组蛋白脱乙酰酶（HDAC）、DNA甲基转移酶（DNMT）和甲基结合域（MBD）蛋白，被认为是LINE-1转录的抑制剂或共同抑制剂。

研究表明LINE-1也存在转录后蛋白调节，这些过程涉及到在RNA加工、RNP复合物形成、DNA合成或DNA修复中起作用的蛋白质。

LINE-1与遗传疾病

当在有性生殖过程中，表观基因组需要被重置时，控制LINE-1激活的表观基因甲基化障碍会被消除。

DNA甲基化标记必须在整个基因组范围内被消除，以便采用原始生殖细胞和植入前胚胎的特殊、低甲基化的表观基因组，其结果是，像LINE-1这样的反转录转座子将被激活。

有人认为，这会导致这些阶段的基因组不稳定，因为有证据表明，生殖系LINE-1的插入导致了零星的新的遗传疾病。

血友病、神经纤维瘤病和许多其它遗传病的病例已被证明是由于LINE-1介导的LINE-1、Alu和其他转座因子在这个过程中插入基因组的结果。

LINE-1与癌症

长期以来，人们认为LINE-1启动子的低甲基化与癌症相关。

正常体细胞组织不表达ORF1p和ORF2p，它们的表达会导致癌变的发生。

早在1993年，Thayer等人就发现癌细胞中LINE-1元件5'端的低甲基化与LINE-1蛋白的表达相关，LINE-1低甲基化发生在大多数癌症中，包括膀胱癌和结肠癌、慢性淋巴细胞白血病、胃肠道间质瘤、肺癌、卵巢癌和肝细胞癌。

LINE-1的低甲基化也与癌症患者，尤其是胃肠道癌症的预后不良有关。

643例结肠癌样本的肿瘤侵袭性与LINE-1低甲基化相关。

在200多例胃癌患者中，发现胃癌生存率低与LINE-1低甲基化有关。

这种趋势也见于肺癌、肝癌、食管癌、前列腺癌和子宫内膜癌。

LINE-1的激活可以通过几种不同的机制驱动癌症。

LINE-1元件的插入会干扰肿瘤抑制基因的表达。

在结肠癌中，LINE-1的插入可以破坏肿瘤抑制基因APC，导致其失活。

在肺鳞状细胞癌中，发现LINE-1插入肿瘤抑制基因FGGY可促进肿瘤发生。

LINE-1还可以驱动癌基因的表达。

在乳腺癌中，Morse及其同事首次提出LINE-1的激活可以驱动癌基因MYC的肿瘤特异性重排和扩增。

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在食管肿瘤中，发现LINE-1通过诱导“断裂-融合-桥接”循环来诱导CCND1癌基因扩增。在另一个例子中，发现高级胶质瘤中的肿瘤发生是由一个活性LINE-1启动子驱动的，该启动子插入癌基因FOXR2的intron 1中，导致过度表达。

LINE-1与衰老

越来越多的证据表明，LINE-1等重复性元件参与了衰老和与衰老相关的疾病。

老化会导致异染色质和异染色质形成因子的普遍损失。

因此，抑制LINE-1的机制被逆转，并激活LINE-1逆转录转座。

LINE-1的激活通过插入、缺失和重组直接损害基因组，它还可以刺激固有免疫反应的激活，诱导自身免疫和炎症。

Della Valle等人最近在《Science Translational Medicine》杂志上发表的一篇论文中，研究了早衰综合症患者细胞中LINE-1 mRNA抑制、异染色质侵蚀和细胞老化之间的相关性。

早衰综合症是一组罕见的以加速衰老为特征的遗传疾病。

他们表明，LINE-1 RNA积累是人类早衰综合症的早期事件。

LINE-1 RNA对组蛋白赖氨酸N-甲基转移酶SUV39H1的酶活性进行负调节。

这种活性的丧失会导致异染色质的丢失和体外衰老表型的开始。

通过使用LINE-1 RNA的反义寡核苷酸（ASO）消耗LINE-1 RNA，早衰综合征患者的真皮成纤维细胞中的这种情况得到了逆转。

LINE-1 RNA的耗竭恢复了异染色质和DNA甲基化，抵消了衰老表型细胞的表达。

反义寡核苷酸还挽救了组织的组织生理学，延长了Hutchinson Gilford早衰综合征小鼠模型的寿命。

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该结果强调了LINE-1 RNA在进展期综合征异染色质稳态中的作用，并确定了治疗早衰及相关综合征的可能治疗方法。

布朗大学Sedivy实验室的实验表明，衰老细胞中LINE-1的激活可触发I型干扰素（IFN-I）反应。

IFN-I是有效抗病毒反应的重要促因，可触发干扰素刺激基因的表达，并有助于解决感染问题。

然而，IFN-I引起的慢性炎症也与衰老细胞的老化（炎症反应）有关。

衰老细胞的数量随着年龄的增长而增加。

实验证明，在衰老细胞中，IFN-I反应是由细胞质LINE-1 cDNA增加特异性触发的。

通过RNP核糖核蛋白机制进行的LINE-1逆转录不仅能在细胞核中产生LINE-1 cDNA，而且还能在细胞质中产生LINE-1 cDNA。

免疫系统将细胞质中的LINE-1 cDNA视为外来DNA，并激发IFN-I反应。

在含有更多衰老细胞的老年小鼠中，使用核苷逆转录酶抑制剂（NRTI）来抑制LINE-1的逆转录酶，由此产生的LINE-1 RT抑制下调了几个组织中的IFN-1激活和年龄相关炎症。

作者认为，重复性元件的激活是导致炎症的重要因素，而炎症是衰老的特征。

此外，LINE-1逆转录可能是治疗年龄相关疾病的靶点。

在另一项研究中，研究者发现在小鼠肝、肾和脾组织中LINE-1（RTP）DNA甲基化的程度是遗传不稳定和衰老的标志物。

在这项研究中，用环境致癌物7,12-二甲基苯蒽（DMBA）预处理后，给小鼠喂食特级初榨橄榄油（EVOO）或反式脂肪酸（TFA），DMBA是一种已知会导致LINE-1 DNA低甲基化的有害物质。

作为均衡饮食的一部分，食用特级初榨橄榄油（EVOO）可以预防与年龄相关的疾病和癌症，而食用反式脂肪酸（TFA）会增加心血管疾病的风险。

在这些小鼠的肝脏、脾脏和肾脏中，DMBA处理和DMBA联合TFA处理通过抑制DNA甲基转移酶（DNMT）酶导致显著的LINE-1 DNA低甲基化。

然而，EVOO通过显著降低DMBA和DMBA TFA诱导的低甲基化而产生相反的效果。

衰老和LINE-1 DNA甲基化在人类和小鼠中是相似的。

这些结果表明，高EVOO摄入量可能会降低年龄相关疾病的可能性，并延长预期寿命，因为它可以改善全基因组范围内的DNA甲基化模式，逆转LINE-1去甲基化过程。

总结

虽然LINE-1元件对促进遗传变异和人类进化至关重要，但它们的抑制和其它转座元件的抑制对于维持人类细胞内的内稳态至关重要。

在正常健康的体细胞中，LINE-1启动子中的大多数CpG和非CpG二核苷酸被甲基化，这种甲基化的丧失与LINE-1 mRNA表达的增加密切相关。

LINE-1的去抑制与许多疾病相关，会导致基因组不稳定，并引发炎症。

逆转LINE-1表达的有害影响的几种不同技术已经取得成功，包括核苷类逆转录酶抑制剂、反义寡聚物和饮食因素，如EVOO。

有可能在未来，通过对LINE-1表达的调控，将在治疗癌症等人类疾病和逆转衰老方面发挥一定作用。

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