逆转座子是一类可以通过“复制-粘贴”的方式在基因组上发生跳跃的DNA元件。R2是低等真核生物中广泛存在的一种逆转座子。它们专一性地“寄生”在宿主基因组的28S核糖体DNA中，借助宿主基因的启动子，合成自身的mRNA和蛋白质并组装形成R2复合物（“复制”过程）；R2复合物可再次识别宿主28S核糖体DNA上的专一性位点，通过核酸酶（endonuclease, EN）结构域切开DNA双链，再通过逆转录酶（reverse transcriptase, RT）结构域逆转录合成cDNA，将R2基因序列重新整合到宿主基因组上（“粘贴”过程），完成“增殖”。
有趣的是，逆转座子等可移动的DNA元件在基因组上跳跃的过程中，极大地丰富了基因组的组成，被认为在基因组进化的过程中扮演着重要的作用。因此，理解逆转座子在基因组上跳跃的分子机制将有助于思考“我们的基因组从哪里来、如何来”的问题。此外，利用逆转座子在基因组上跳跃的性质，开发新的核酸操纵工具，将具有巨大的应用前景（Science， 2023）。
图1. 逆转座子通过“复制-粘贴”在基因组上跳跃的示意图
2023年6月9日，刘俊杰课题组在《细胞》（Cell）杂志在线发表了题为“R2逆转座子中结构性RNA组分监督顺序性DNA切割”（Structural RNA components supervise the sequential DNA cleavage in R2 retrotransposon）的研究论文。报道了R2逆转座子的mRNA中存在两段结构性的RNA，共同调控DNA双链的顺序性切割，从而保证逆转座的准确进行。此外，课题组还将第二类内含子（Group II intron）、LINE-1逆转座子与R2逆转座子进行了比较，总结了生物大分子进化过程中，以RNA为主导逐渐过渡到以蛋白质为主导的进化趋势，提出了新颖的见解。
课题组发现, 位于R2 mRNA 3’端非翻译区的RNA（3’-RNA）在R2蛋白质切割DNA双链的过程中，表现出促进第一条链切割、抑制第二条链切割的作用；位于5’端翻译区的RNA（5’-RNA）则表现出降低第一条链切割、激活第二条链切割的作用；而当5’-RNA与3’-RNA同时存在时，总是表现出3’-RNA的调控作用，并且完全抑制第二条链的切割。为了进一步理解其中的分子机制，课题组解析了R2逆转座子在3’-RNA结合状态和5’-RNA结合状态的高分辨结构。在3’-RNA结合状态中，DNA底物被蛋白质特异性识别，3’-RNA核心区域结合在蛋白质的RNA结合（RNA binding, RB）结构域上。在5’-RNA结合状态中，5’-RNA呈现出复杂的“三爪（three-claw）”结构，紧密的包裹住蛋白质核心。值得注意的是，5’-RNA的其中一个爪（Claw3）同样结合在RB结构域上，且生化分析表明，Claw3对激活第二条链切割是必要的。
图2. 3’-RNA结合状态（左）和5’-RNA结合状态（右）的复合物结构
此外，课题组用一段连接序列将5’-RNA与3’-RNA连接成一条RNA，设计了R2全长mRNA的模拟物（L-RNA），并获得了R2逆转座子在L-RNA结合状态的结构。在这个结构中，5’-RNA同样以“三爪”的形式与蛋白质核心紧密结合，但由于3’-RNA的挤占，起激活第二条链切割作用的Claw3未能与RB结构域结合。课题组发现，L-RNA中3’-RNA与蛋白质RB结构域的结合将抑制第二条链的切割，但当提供dNTP作为原料，使逆转录可以发生后，3’-RNA在作为逆转录模板的过程中逐渐从RB结构域上解离下来，5’-RNA得以与RB结构域结合，从而激活第二条链的切割。
图3. L-RNA结合状态的复合物结构与RNA监督DNA双链顺序性切割的示意图
综合以上分析，课题组总结得出了R2逆转座子在基因组上跳跃的分子机制：R2蛋白质特异性识别28S核糖体DNA序列后，蛋白质RB结构域首先结合R2 mRNA上的3’-RNA，促进第一条DNA链的切割，同时抑制第二条链的切割，仅暴露出第一条链的3’-OH作为引物，从mRNA的3’端起始逆转录过程（Target-primed reverse transcription, TPRT），随着逆转录的进行，位于mRNA 3’端的3’-RNA逐渐从蛋白质RB结构域解离，对第二条链切割的抑制作用得以释放，R2 mRNA上的5’-RNA与RB结构域的结合进一步激活了第二条链的切割。由此，位于mRNA两端的结构性RNA共同监督了DNA双链的顺序性切割。这种严密的顺序性切割保障了依赖宿主基因表达元件的R2逆转座子进行“有效的增殖”，从而在28S核糖体DNA中不断产生有活性的拷贝。
图4. R2逆转座子在基因组上发生跳跃的分子机制与意义
有趣的是，课题组将低等真核生物的R2逆转座子与其祖先（原核生物第二类内含子，Group II intron）和哺乳动物中的LINE-1逆转座子进行了比较，发现在Group II intron向R2逆转座子及进一步向LINE-1逆转座子进化的过程中，RNA的结构性组分逐渐减少并被编码区域所取代，并且催化功能逐渐从以RNA为主导过渡到以蛋白质为主导，为理解生物大分子进化提供了新的视角。此外，LINE-1逆转座子在哺乳动物基因组中广泛存在且具有逆转座活性，为基因组提供进化驱动力的同时，也为基因组稳定性和基因表达带来了重大的影响。对R2逆转座子在基因组上跳跃的分子机制的研究，将启发我们思考LINE-1逆转座子这类“自私的基因”与基因组之间精彩的博弈过程。
图5.逆转座子中RNA与蛋白质共进化趋势的示意图
金沙js4399首页生命学院刘俊杰助理教授和副研究员王家为本文共同通讯作者；高精尖结构中心卓越学者邓谱涓博士和金沙js4399首页生命学院2021级博士生谭顺青为本文共同第一作者；金沙js4399首页生命学院本科生杨启羽，2020级博士生朱汉舟，中国科学院动物研究所王皓毅研究员及博士生傅良政、吴亚超，金沙js4399首页生命学院张强锋副教授及已出站博士后孙磊（现山东大学金沙js4399首页研究员），金沙js4399首页生命学院吝易助理教授及博士生包章彬均参与了本文研究。美国Broad研究所张锋教授和Max E. Wilkinson博士在原子模型搭建中提供了宝贵的建议。金沙js4399首页冷冻电镜平台为本研究提供了设备和技术支持。本研究得到了中华人民共和国农业农村部、科技部2030-“脑科学与类脑研究”重大项目、国家重点研发计划、国家自然科学基金、刘俊杰实验室启动经费、中国博士后科学基金和中国科学院战略先导专项的支持。
原文链接：
https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(23)00584-6
