許瑞明研究組合作揭示人逆轉座子LINE1靶向整合基因組的重要機制

　　人類基因組中存在大量具有"跳躍"能力的逆轉座子（retrotransposon）序列。在胚胎發育早期、免疫和神經系統等特定階段和環境下，它們會被激活，發揮重要生理功能；在病毒感染、腫瘤發生和機體衰老等狀態下，他們常常會持續異常活化，導致基因調控紊亂和基因組不穩定。

　　人體唯一具有自主轉座活性的逆轉座子是長散在元件1（LINE-1），是絕大多數逆轉座子的遷移載體。其異常逆轉座活性被認為與病毒基因整合、癌細胞和衰老細胞中的基因組紊亂等密切相關。LINE-1的逆轉座過程由其編碼的逆轉錄酶ORF2p通過一種被稱為靶向啟動逆轉錄（target-primed reverse transcription,TPRT）的機制完成。ORF2p含有兩個核心功能域：核酸內切酶（EN）和逆轉錄酶（RT）。在細胞核內，EN首先靶向基因組DNA切割其中一條鏈形成缺口，切割的DNA 3'端胸腺嘧啶堿基（T）與RNA poly(A)尾端配對，啟動RT逆轉錄程序合成cDNA鏈。第一條鏈合成完成后，ORF2p在DNA的第二鏈上重復該過程，最終實現LINE-1元件復制和整合到基因組中。然而，目前關于其靶向整合的分子機制仍不清楚。

　　2025年10月9日，中國科學院生物物理研究所許瑞明、朱冰和薛愿超課題組合作在《Science》發表題為"Mechanism of DNA targeting by human LINE-1"的研究論文，系統解析了LINE-1逆轉座過程中的幾個重要問題，包括RNA識別、DNA靶向切割和EN的活性調控，并闡明了復制偶聯的逆轉座機制。該研究純化了處于活躍轉座狀態的ORF2p-內源核酸復合物。通過單顆粒冷凍電鏡解析了高分辨率三維結構，揭示了ORF2p通過表面強電荷與基因組DNA相結合，并在RT逆轉錄活性中心通過多個氨基酸的變構調節進行cDNA合成的分子模型（圖1）。

圖1：LINE-1 ORF2p功能逆轉座復合物的結構

　　該研究首次建立了高效的ORF2p體外DNA切割體系。發現ORF2p對特定分叉結構的DNA底物（尤其是DNA復制后滯鏈特有的flap結構）表現出很高的活性。同時，EN結構域的構象變化使ORF2p可以實現DNA雙鏈的分步切割（圖2A）。綜合上述發現，該研究首次證明ORF2p是一個依賴于DNA底物結構的核酸內切酶，從而揭示了LINE-1整合與細胞復制周期相關的分子基礎（圖2A）。

　　該工作從結構和生化角度闡明了LINE-1逆轉座過程中核酸底物的結合模式以及DNA結構介導的靶向切割機制。通過與細菌、昆蟲等低等生物同源蛋白的跨物種結構比對，揭示了逆轉座酶在進化過程中的保守和變異特征：其中逆轉錄活性高度保守，而DNA識別與切割方式存在顯著差異。ORF2p與DNA骨架之間主要通過電荷相互作用結合，而非序列特征性識別，提示其在生理功能上的獨特性。該研究刷新了對LINE-1逆轉座機制的認知，也為基于逆轉座調控的藥物研發提供了新的理論依據。

圖2：LINE-1逆轉座酶靶向切割DNA的分子機制。（A）LINE-1靶向識別復制過程中特殊分叉狀DNA，并通過EN構象變化實現雙鏈切割。（B）從低等到高等生物的逆轉座酶結構對比圖。

　　中國科學院生物物理研究所許瑞明研究員與金文星研究員為論文的共同通訊作者，金文星研究員、余聰博士（現為英國MRC-LMB博士后）、張彥副研究員為論文共同第一作者。工作的主要參與者還有許瑞明課題組的博士生夏天凡、技術員宋鴿，以及薛愿超課題組的曹唱唱副研究員、蔡兆奎副研究員。研究所電鏡平臺為數據采集提供了重要支持。該研究獲得國家自然科學基金、國家重點研發計劃、中國科學院戰略性先導科技專項的支持。

　　文章鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adu3433