北京时间2024年6月7日17时，清华大学生命学院刘念团队在Nature Genetics上在线发表题为“LINE-1 transcription activates long-range gene expression”的研究文章。

该研究提供了第一个关于L1表达调控的全基因组筛选结果，系统性的鉴定并验证了L1作为增强子的功能和作用，揭示了L1在长程基因激活中的广泛影响，并阐释了L1转录如何帮助植入前胚胎中ZGA过程的成功进行，深化了我们对L1表达在哺乳动物发育和疾病中的调节和功能作用的理解。

二十世纪五十年代，Barbara McClintock在玉米中发现一类能在基因组中移动、改变自身位置的DNA序列。当时，人们普遍认为基因在染色体上只能是固定不变的。这一惊世骇俗的发现打破了人们的认知，然而却并未获得认可。直到三十多年后，她和这些可以在基因组中移动的DNA序列终于等到了1983年诺贝尔生理学或医学奖——迟来的肯定。这些序列就是转座子。

人类基因组中有接近一半的序列由转座子构成，其中，LINE-1 (Long interspersed nuclear element-1, L1) 占据了人类~17%的基因组序列，是目前人体内唯一活跃且具有自主逆转录转座能力的逆转录转座子。尽管在体细胞中L1表达通常受到抑制，但在人和小鼠早期胚胎发育的合子基因组激活（zygotic genome activation，ZGA）过程中L1却高表达。这不仅说明L1的表达受到极其严格和精确的调控，而且暗示L1的表达在关键生理过程具有重要作用。然而，关于L1表达是如何被调控的，L1在基因调控中的功能以及ZGA中的作用还知之甚少。

图1. L1的转录水平被功能多样的基因所精密调控，也决定着L1选择性地接触并激活远程基因表达的功能，影响着早期胚胎发育中的ZGA，也可能影响衰老、癌症和神经系统性疾病等（左）。L1转录激活了小鼠早期胚胎发育中的第一波转录行为（minor ZGA）（右）。

刘念课题组长期从事逆转录转座子调控和功能研究。在之前的工作中，系统鉴定了L1转座过程的调控因子 (Liu et al. Nature 2018），并发现L1可以作为拓扑结构域边界（Hong et al. Molecualr Cell 2024）。本研究利用L1 5’ UTR驱动的报告基因在人类细胞中进行全基因组CRISPR-Cas9筛选，鉴定了171个L1表达抑制因子和332个激活因子。这些调控因子参与功能多样的调控通路。有意思的是，很多的L1表达调控因子与增强子调控和功能相关（KMT2D, CTBP1, METTL3，METTL14等），这提示L1可能具有增强子活性。通过系统挖掘全基因组自转录活性调控区测序（STARR-seq）数据，研究团队发现L1 5’ 非翻译区（5’ UTR）具有增强子特征，可以通过不依赖其位置或方向的方式激活基因表达。

刘念团队进一步揭示了L1在哺乳动物早期胚胎发育中的生物学功能。他们发现，L1在小鼠早期2细胞阶段就开始表达，并且与minor ZGA基因（如Obox4、Zscan4等）接触并激活。抑制L1转录或敲除L1 RNA都能显著降低ZGA基因的表达，并阻碍小鼠胚胎发育在2-4细胞阶段。有趣的是，与恒河猴相比，人类基因组中特异存在的、进化上较年轻的L1PA1-5元件显著增强了人早期胚胎中ZGA基因的表达，说明L1在基因组上的持续插入已经改变了灵长类动物ZGA基因表达的调控网络。由于L1的活跃转座使其仍在人基因组中扩增，因此L1可能在人类基因组中持续增添新的顺式DNA调控元件，进而影响着人类的多种疾病和发育过程。

总而言之，本研究提供了功能多样的L1表达调控因子，发现并验证了L1 5’ UTR作为增强子在早期胚胎发育阶段通过转录依赖的方式直接与ZGA基因相互作用激活基因表达。该工作为研究L1的调控网络提供了丰富的资源，揭示了L1表达调控的复杂性和多样性；解释了为什么L1在胚胎发育过程中被激活，为理解L1在基因组中的功能提供了新的视角。

清华大学生命科学学院、清华-北大生命科学联合中心刘念副教授为本文通讯作者。清华大学生命科学学院2019级博士生李秀峰、博士后别路垚、CLS项目2016级博士生王洋（已毕业）、博士后洪雅强为本文共同第一作者。

研究得到了清华大学生命科学学院颉伟教授、孟安明教授，清华大学医学院沈晓骅教授、郗乔然副教授，清华大学生命学院实验动物中心常在、张静的大力帮助。

研究得到清华-北大生命科学联合中心、国家重点研发计划、国家自然科学基金、清华大学自主科研计划、北京生物结构前沿研究中心、本源公益基金等的支持。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1038/s41588-024-01789-5

刘念研究员长期从事转座子及RNA调控功能研究，课题组长期招聘博士后，优先考虑具有生物信息学、RNA及染色质生物学等相关专业背景的申请者。提供具有国际竞争力的工资待遇和科研支持，享受清华大学博士后的标准福利待遇。

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