Cell文献：转座子外显化构成了一个受进化选择的功能蛋白质亚型储库
2025-03-24 来源:本站 点击次数:312转座子（Transposable Elements，TEs），又称转座元件，指在基因组中能够移动或复制，并可以整合到基因组新位点的一段DNA序列。可变剪接（Alternative Splicing，AS），又称选择性剪接，是指从一个mRNA前体中通过不同的剪接方式产生不同的mRNA剪接异构体的过程。可变剪接在真核生物中广泛存在，为蛋白质组提供了多样性。可变剪接以不同的方式增强蛋白质的多样性，包括通过转座子的外显子化。最近的转录组学分析确定了数千个具有外显子化转座元件的未注释剪接转录本，但它们对蛋白质组和生物学相关性的贡献仍不清楚。
2024年12月26日，巴黎文理研究大学-居里夫人研究所Sebastian Amigorena科研团队在Cell期刊发表了文章“Transposable element exonization generates a reservoir of evolving and functional protein isoforms.”该研究揭示了通过未注释剪接事件的转座子外显子化产生稳定的蛋白亚型，其具有独特的功能和生物学意义，而且所获得的功能受进化选择的影响。
2024年12月26日，巴黎文理研究大学-居里夫人研究所Sebastian Amigorena科研团队在Cell期刊发表了文章“Transposable element exonization generates a reservoir of evolving and functional protein isoforms.”该研究揭示了通过未注释剪接事件的转座子外显子化产生稳定的蛋白亚型，其具有独特的功能和生物学意义，而且所获得的功能受进化选择的影响。
研究背景
蛋白质基因组学的进展促进了新蛋白质的发现。来自非基因区域的开放阅读框（ORFs）也可能编码微蛋白或短ORF。潜在剪接位点通过随机突变出现在基因附近，为通过剪接机制产生新的外显子和转录本提供了进化机会。如果它们在进化上是有优势的，那么这些新出现的剪接位点就可以固定在种群中，成为优势的甚至是构成型的剪接异构体。
研究发现，最近获得的剪接信号有很大一部分是位于内含子区域的转座子。转座子覆盖了45%的基因组区域，且可移动，这提供了一个受进化作用影响的多态性位点储库。哺乳动物TEs主要分为四类，包括DNA转座子、短分散核元件（SINEs）、长分散核元件（LINEs）和长末端重复序列（LTRs）。TE对人类蛋白质组的贡献一直是一个有争议的问题。基于外显子和TEs（JETs）之间未注释的剪接连接检测，在癌症和健康组织样本中进行了新生TE外显子化研究。大多数JETs具有样本特异性，只有很少部分在个体间共有。一些JETs只在肿瘤中检测到，很少在健康组织样本中观察到。虽然，未注释的剪接转录本在一定程度上在个体间复发，并产生MHC I类多肽，但它们仍然可能代表导致蛋白质快速降解的“随机错误”。此外，未注释的剪接异构体可能代表一种“多样性库”，在自然选择压力下进化，并编码稳定的蛋白亚型，从而影响细胞功能。为了验证这一假设，于是作者设计并开展了一系列的研究。
研究结果
首先，作者通过分析TCGA和CCLE数据集，发现一些JET在不同个体之间重复出现，并呈现组织依赖性表达。随后，又分析了JET剪接位点的年龄和保守性，发现它们相对较年轻，但重复性高的JET剪接位点相对更保守。随着JET剪接位点年龄的增加，使用频繁也会增加。
蛋白质基因组学的进展促进了新蛋白质的发现。来自非基因区域的开放阅读框（ORFs）也可能编码微蛋白或短ORF。潜在剪接位点通过随机突变出现在基因附近，为通过剪接机制产生新的外显子和转录本提供了进化机会。如果它们在进化上是有优势的，那么这些新出现的剪接位点就可以固定在种群中，成为优势的甚至是构成型的剪接异构体。
研究发现，最近获得的剪接信号有很大一部分是位于内含子区域的转座子。转座子覆盖了45%的基因组区域，且可移动，这提供了一个受进化作用影响的多态性位点储库。哺乳动物TEs主要分为四类，包括DNA转座子、短分散核元件（SINEs）、长分散核元件（LINEs）和长末端重复序列（LTRs）。TE对人类蛋白质组的贡献一直是一个有争议的问题。基于外显子和TEs（JETs）之间未注释的剪接连接检测，在癌症和健康组织样本中进行了新生TE外显子化研究。大多数JETs具有样本特异性，只有很少部分在个体间共有。一些JETs只在肿瘤中检测到，很少在健康组织样本中观察到。虽然，未注释的剪接转录本在一定程度上在个体间复发，并产生MHC I类多肽，但它们仍然可能代表导致蛋白质快速降解的“随机错误”。此外，未注释的剪接异构体可能代表一种“多样性库”，在自然选择压力下进化，并编码稳定的蛋白亚型，从而影响细胞功能。为了验证这一假设，于是作者设计并开展了一系列的研究。
研究结果
首先，作者通过分析TCGA和CCLE数据集，发现一些JET在不同个体之间重复出现，并呈现组织依赖性表达。随后，又分析了JET剪接位点的年龄和保守性，发现它们相对较年轻，但重复性高的JET剪接位点相对更保守。随着JET剪接位点年龄的增加，使用频繁也会增加。
图1. JETs可复发，并呈组织依赖性表达
然后，通过转录组组装、Ribo-seq和蛋白质组学分析，鉴定了5种人类细胞系中存在的由mRNA剪接产生的1,227个未注释的JET-ORFs，对应了807个独特的翻译JETs。这些异构体表达水平较低，但是能够被有效地翻译成蛋白质。
图2. 复发性JET可以被翻译，并编码成未注释的蛋白亚型
通过预测不稳定指数和实验验证，发现JET外显子化异构体相对稳定。共聚焦显微镜分析显示，这些异构体可以定位到不同的亚细胞区域，包括细胞核、内质网和质膜。通过过表达实验和单细胞克隆分析，发现JET外显子化异构体具有生物学功能，并与典型的已注释异构体（CAN）表现出不同的功能。
图3. JET-ORFs具有功能性，且与CAN亚型相比可能具有不同的功能
之后，分析JET外显子化异构体中TE的类型和位置，发现最显著富集的TE类型是LINE，其次是SINE，再者是LTR，并且TE主要位于内含子中。这些异构体主要来自于古老基因，并且TE序列相对较年轻。
通过结构预测和比较分析，发现TE外显子化异构体可以增加宿主蛋白的α螺旋含量，并改变宿主蛋白的二级结构。这种变化可能与宿主基因的年龄有关，古老基因编码的蛋白质中α螺旋含量更高。这表明JET外显子化异构体可能影响了宿主蛋白二级结构。
通过结构预测和比较分析，发现TE外显子化异构体可以增加宿主蛋白的α螺旋含量，并改变宿主蛋白的二级结构。这种变化可能与宿主基因的年龄有关，古老基因编码的蛋白质中α螺旋含量更高。这表明JET外显子化异构体可能影响了宿主蛋白二级结构。
图4. JET-ORFs通过α螺旋含量影响宿主蛋白的二级结构
主要技术
JET识别、转录组组装、Ribo-seq分析、蛋白质组学分析、蛋白质稳定性测定、亚细胞定位分析、结构分析等。
本文小结
该文章主要研究了TE外显化，这些TE外显化亚型虽然表达量较低，但与经典蛋白质亚型一样稳定，并定位于不同的细胞器。它们拥有与经典蛋白质亚型不同的功能，例如调节基因表达、影响细胞增殖等。这些TE外显化亚型往往来自于古老基因，并且具有更年轻的TE序列，这表明它们可能在蛋白质进化中发挥作用。该研究强调了TE外显化在蛋白质多样性增加和功能演化中的重要作用。
参考文献
Arribas Yago A., Baudon Blandine , Rotival Maxime, et al. Transposable element exonization generates a reservoir of evolving and functional protein isoforms. Cell, 187, 7603-7620.
JET识别、转录组组装、Ribo-seq分析、蛋白质组学分析、蛋白质稳定性测定、亚细胞定位分析、结构分析等。
本文小结
该文章主要研究了TE外显化，这些TE外显化亚型虽然表达量较低，但与经典蛋白质亚型一样稳定，并定位于不同的细胞器。它们拥有与经典蛋白质亚型不同的功能，例如调节基因表达、影响细胞增殖等。这些TE外显化亚型往往来自于古老基因，并且具有更年轻的TE序列，这表明它们可能在蛋白质进化中发挥作用。该研究强调了TE外显化在蛋白质多样性增加和功能演化中的重要作用。
参考文献
Arribas Yago A., Baudon Blandine , Rotival Maxime, et al. Transposable element exonization generates a reservoir of evolving and functional protein isoforms. Cell, 187, 7603-7620.
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