生物体中存在大量可以在基因组中移动的序列，又称跳跃基因（转座子）。其中，逆转座子以mRNA为模版合成双链DNA，通过这种“复制粘贴”的机制，逆转座子在基因组中跳跃从而扩增其拷贝数。逆转座子几乎存在于所有真核生物基因组中并且占比极其丰富，如在人类基因组中占据了高达38%的序列【1】，而其中很大一部分可以归类为内源逆转录病毒。然而，逆转座子在基因组中的的活动通常会导致宿主基因组损伤、遗传突变、动物不育以及一系列疾病（包括神经退行性疾病和癌症），甚至可能与衰老有关【2,3】。因此，深入 探索逆转座子在生物体中的跳跃机制对于人类健康具有重要意义。
自1980年代，科学家们发现逆转座子和内源逆转录病毒可以将其mRNA转化为双链DNA【4】。然而，在过去的几十年里，对于理解这一过程是如何实现的几乎没有取得进展。
2023年7月日，美国杜克大学药理学及癌症生物学系张钊课题组（ZZ-lab）在Nature上发表了题为Retrotransposons hijack alt-EJ for DNA replication and eccDNA biogenesis的最新研究成果。此研究发现病毒类逆转座子通过利用宿主的一种DNA损伤修复机制来产生环状DNA并促进其转座。这项研究通过阐明逆转座子的复制过程，为我们深入了解其在疾病中的作用提供了重要的线索，并有可能带来新的治疗干预方法。
张钊课题组长期以来一直致力于研究逆转座子在基因组中的活动(Wang and Dou et al., Cell, 2018; Moon et al., Dev Cell, 2018; Wang and Tracy et al., Nat. Genet., 2022)，实验室建立了在机体水平上精确检测逆转座子跳跃的一系列方法。在这项研究中，张钊课题组首先利用黑腹果蝇作为研究对象，标记了一个逆转座子并将其插入基因组的特定位点。通过采用先进的纳米孔基因组测序技术来跟踪其复制结果，他们惊讶地发现，逆转座子在复制过程中90%形成了环状DNA，而仅有10%的DNA整合到基因组中。为了验证这一结果，课题组开发了一种新的环状DNA测序方法，并发现内源逆转录病毒类转座子在复制过程中也大量形成了环状DNA。为了进一步探究逆转座子在复制过程中如何形成环状DNA，研究人员建立了果蝇的遗传筛选系统，他们发现逆转座子并不是利用经典的同源重组修复（HR）或非同源性末端连接（NHEJ），而是利用一种称为替代末端连接（alt-EJ）的修复通路来形成环状DNA。替代末端连接通路中的因子在逆转座子的复制过程中发挥作用，介导了复制过程中的一个环化步骤，推动合成逆转座子的互补链DNA。阻断逆转座子的环化过程会导致单链DNA的积累，并阻止逆转座子插入基因组的新位点。这个发现挑战了过去将环状DNA仅仅视为复制失败副产物的观点。相反，本研究强调了环状DNA的形成在逆转座子复制和转座中的重要性。如上所述，转座子的活性在癌症，神经退行性疾病，和衰老过程中显著上升，此研究暗示了环状DNA在这些转座子相关研究中的潜在核心位置。
有趣的是，很多逆转录病毒（如导致艾滋病的HIV）在其传染周期中也形成环状DNA【5】。如果HIV病毒具有类似逆转座子的复制模式，那么抑制环状DNA的形成可能成为治疗HIV感染者的新策略。因此，这些发现不仅有助于我们理解逆转座子的生命周期，而且对基因组学、进化生物学和病毒学等领域具有重要意义。
在此项研究中，杨斧博士和苏维佳博士为并列第一作者。同时此研究还得到了张钊组的Oliver W. Chung、Lauren Tracy，以及中国科学院生物化学和细胞生物学研究所（分子细胞科学卓越创新中心）王露博士，北卡罗来纳大学教堂山分校Dale A. Ramsden博士的大力支持。
据悉，张钊实验室（thezzlab.com）在研究逆转座子环状DNA生成机制的同时，也致力于探索癌细胞中致癌基因环状DNA（ecDNA）的发生和维持机制，以及开发针对转座子的癌症免疫疗法 （TCR- T）。课题组不仅致力于在科学研究上不断挑战自我以寻找独特新颖的科研方向，一直以来也非常重视团队成员的培养和发展(https://thezzlab.com/past-contributor)。 在此热忱欢迎有志之士加盟合作！
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-023-06327-7
参考文献
1 Wells, J. N. & Feschotte, C. A Field Guide to Eukaryotic Transposable Elements. Annu Rev Genet 54, 539-561, doi:10.1146/annurev-genet-040620-022145 (2020).
2 Kazazian, H. H., Jr. & Moran, J. V. Mobile DNA in Health and Disease. N Engl J Med 377, 361-370, doi:10.1056/NEJMra1510092 (2017).
3 Gorbunova, V. et al. The role of retrotransposable elements in ageing and age-associated diseases. Nature 596, 43-53, doi:10.1038/s41586-021-03542-y (2021).
4 Boeke, J. D. Ty elements transpose through an RNA intermediate. (1985).
5 Coffin, J. M., Hughes, S. H., Varmus, H. & National Center for Biotechnology, I. Retroviruses. (Cold Spring Harbor Laboratory Press, 1997).
