转座子被认为是宿主基因组演化的重要推动力。其类型众多，包含non-ltr（long terminal repeat）型逆转座子、ltr型逆转座子、helitron型dna转座子、tir（terminal inverted repeat）型dna转座子等，可引起包含基因重复（gene duplication）在内的各种遗传突变。已有研究表明，non-ltr型逆转座子在人类基因组中介导基因重复，产生大量新基因。2016年，中国科学院院动物研究所研究员张勇研究组研究发现，动物中ltr可借由模板跳转介导基因重复；helitron在蝙蝠中通过通读（transduction）的形式介导基因重复。迄今，tir型转座子介导基因重复的能力只在植物中被揭示，其中水稻中的mule元件捕获大量宿主基因，形成pack-mule的嵌合结构。但tir型转座子介导基因重复形成的机制仍不清楚，动物中此类基因重复也鲜有报道。
7月13日，张勇研究组等在 communications上，在线发表了题为dna transposons mediate duplications via transposition-independent and -dependent mechanisms in metazoans的研究论文。该研究首次大规模搜索了100个动物基因组，鉴定了tir转座子介导的基因重复，并将其命名为pack-tir。研究发现，大部分基因重复的产生不依赖转座活性，符合缺口填补（gap-filling）模型；在黑腹果蝇群体基因组数据中找到的最年轻的多拷贝基因ssk-fb4则符合新提出的模板跳转及转座（fostest）模型。蛋白质组、自然选择压力分析及表型关联分析显示ssk-fb4s编码功能蛋白。上述结果证明tir转座子可以重塑基因结构，产生新基因。
研究中，科研人员收集了公共数据库ucsc中100个后生动物的基因组，计算分析鉴定出370个pack-tir元件（图1a）。进而，同时在黑腹果蝇群体中鉴定出一个多拷贝pack-tir家族：ssk-fb4（由fb4 转座子捕获基因ssk所形成的新基因）。其基因结构和植物中pack-mule相似，中间为捕获的外源序列，两侧为tir转座子序列（图1b）。
研究发现，pack-tir与tir转座子数目成线性正相关（图2a)。对灵长类谱系中pack-tir的起源时间分析发现，其零散分布在各演化枝上（图2b）。这些pack-tir在各个时间段皆有起源，即使宿主编码的转座子已丧失转座活性。由此推断，大部分pack-tir的产生不依赖于转座活性（transposition-independent）。多方面证据表明，pack-tir的形成符合缺口填补（gap-filling）模型（图2c）：pack-tir的丰度与其到母源序列的距离呈负相关，即tir转座子倾向于捕获临近序列；67.6%事件含有微同源序列（pack-tir与母源序列共享较短的相似序列）；灵长类物种间的比较分析显示，转座子和外源序列是先后插入的两次独立事件。随后，研究人员发现果蝇中ssk-fb4其形成过程与缺口填补模型不符，因此提出复制叉停滞-模板跳转-转座（fostest）这一新模型来解释多拷贝pack-tir的产生（图2d）。该模型与缺口填补模型不同，模板跳转后转座酶会立即将嵌合的pack-tir转座到基因组其它位置，科研人员的策略及发现对植物中pack-mule的起源机制研究将具有启发意义。
除机制方面的分析，科研人员还结合转录组数据和进化基因组数据探索pack-tirs的功能。研究发现，pack-tir倾向于捕获外显子序列，且大部分与所在基因发生融合，具有转录信号（图3a）。ssk-fb4是罕见的编码功能蛋白的例子，所有拷贝不仅显示出较高的转录和翻译水平（图3b-c），且各拷贝的非同义突变在细胞膜外结构域显著富集，暗示其受到正选择（图3d）。此外，突变机制所赋予的ssk-fb4嵌合结构使其更容易发挥新功能，可能增加果蝇抵御环境中致病微生物的能力（图3e-f）；转座带来的拷贝数增加使自然选择有更多的作用对象，推动了适应性进化更快发生。
该研究由中国科学院动物研究所、法国居里研究所、北京大学肿瘤医院等机构合作完成。研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中科院青年创新促进会等资助。
图1.动物中pack-tir分布及结构示意图。（a）370个pack-tir在100个动物中分布情况。圆圈内数字表示对应物种的pack-tir数目。（b）黑腹果蝇群体中ssk-fb4的基因结构。蓝色片段为ssk的外显子，黑色和灰片段为fb4序列。
图2.动物中pack-tir形成的两种机制。（a）各物种或各转座子超家族中pack-tir与tir转座子数目的线性关系。（b）pack-tir在灵长类动物演化树上的分布，数字表示pack-tir出现在某一特定演化枝的个数，下方显示了转座子活跃与否的时间，单位为百万年。（c）缺口填补模型示意图。红色片段及两侧箭头表示为dna转座子，蓝色片段为外源序列。该图显示转座子内部双链断裂，也可能是转座子的自主切割引发缺口。（d）fostest模型示意图。1.复制叉停滞在转座子处并发生双链断裂；2.转座子和母源序列空间接近，导致修复时模板跳转产生嵌合片段；3.转座酶识别嵌合片段，切割插入到其它位置；4.由于ssk-fb4保留转座子的末端反向重复序列（tir），在转座酶的帮助下增加其拷贝数。
图3.pack-tirs的表达、选择和关联分析。（a）人类中pack-tir捕获序列的类型分布情况。（b）ssk、ssk-fb4、fb4在六个黑腹果蝇品系五个组织内的表达谱，表达值为log2(tpm值)。（c）ssk和ssk-fb4蛋白水平的表达量。（d）ssk-fb4/ssk蛋白非同义突变积累分布图。（e）ssk和ssk-fb4蛋白与mesh蛋白免疫共沉淀前后的蛋白定量数据。与母本基因ssk不同，ssk-fb4与mesh互作水平较弱，暗示其具有新功能。（f）黑腹果蝇dgrp品系在真菌metarhizium anisopliae ma549感染后的寿命半衰期值。
研究团队单位：动物研究所
