為何轉位子能尋找「風水寶地」?

閱讀時間約 6 分鐘

感謝芭芭拉·麥克克林塔克的發現,讓我們知道原來玉米基因體裡面有所謂的「轉位子」(transposon)。這些轉位子在基因體裡面「跳躍」,當它們嵌入到產生色素的基因時,就會影響到色素的產生,導致玉米失去色素,產生「花花綠綠」的玉米。


後來發現,其實轉位子存在於各種生物,而且,還有「反」轉位子(retrotransposon)!會加上「反」(retro)是因為,它會先轉錄成RNA,RNA再透過反轉錄酶變成DNA,最後才經由嵌入酶(integrase)將它嵌入到基因體中。


但是,不論是轉位子或是反轉位子,它們在基因體中並不會隨便亂跳的。它們會辨認特殊的序列(或許可以這麼說:它們是會選擇「風水寶地」的),有些還會與特定的宿主蛋白質互動。


所以,到底它們是怎樣獲取「看風水」的能力的呢?最近的一個研究發現,關鍵可能就是在它們的「嵌入酶」(integrase)上。


研究團隊使用了TAL1和EVD這兩個阿拉伯芥的反轉位子。會選擇它們是因為,它們都屬於ALE4家族的G8群組,但是TAL1偏好嵌入到著絲粒區域,而EVD則偏好嵌入到基因富集區域。


另外是,因為它們是同一家族的同一組,所以這兩個反轉位子的嵌入酶長得蠻像(整體相似度81.3%)。


為什麼對嵌入酶特別感興趣呢?首先,它是負責嵌入反應的關鍵酵素,直接參與DNA切割和連接反應;其次,過去在反轉錄病毒(如HIV)的研究中發現,它的突變會改變病毒的嵌入位置偏好。


他們觀察這兩個反轉位子的嵌入酶,發現它們有兩個區域:一個是保守的核心區域(IN1),另一個是較多變的C端區域(IN2)。這種結構模式,是否也在暗示有功能分工的可能性呢?

從這兩個圖可以看到,IN1(上圖)非常相像,而IN2(下圖)則非常不像。


於是,他們做了TAL1和EVD的各種嵌合體結構,包括交換IN1與IN2。測試發現,交換IN2區域會改變嵌入的偏好,而交換IN1區域則不會。這個發現意味著,決定嵌入特異性(「看風水」的能力)的關鍵區域在IN2。


在確定IN2是關鍵區域後,他們決定還要進一步分析IN2區域,看看能不能把「看風水」的能力更進一步縮小到幾個、甚至一個胺基酸。


結果他們發現,有一個位點對「看風水」的能力特別重要。這個位置如果是R,就會比較中意著絲點區域;如果是K,就會比較愛基因富集區域。


也就是說,TAL1的R892K突變會讓它表現得像EVD,而EVD的K854R突變也會讓它變得比較像TAL1。


不過,EVD的K854R突變並沒有完全轉變成像TAL1那樣的模式,而是一種混合的模式:在近著絲粒區域(pericentromeric regions)有最高的嵌入率,但是在著絲粒區域只有少量的嵌入,與原始的EVD和TAL1都不同。這個發現意味著,決定嵌入的專一性(「看風水」的能力)的因素比預期要複雜。


當然,這兩個反轉位子裡面的TAL1,還會與宿主的蛋白質互動。他們發現,TAL1的嵌入位置與著絲粒特異性組蛋白CENH3的分布區域高度重合。當他們高度表現CENH3時,TAL1的嵌入區域也相應擴大。


所以,透過交換不同的區域,研究團隊發現這兩個嵌入酶的序列特異性,是由它們的IN2區域決定。而且這個區域裡面的K854/R892特別重要。有意思的是,這兩個反轉位子的嵌入酶的序列相似度高達81.3% ( 在 1,442個胺基酸裡面有1,172是相同) 。但是,在IN2區域的相似度卻比較低。


這讓我想到我自己當年的博士論文。當時我從一個名叫RB69的噬菌體中找到兩個與DNA複製有關的蛋白質「gp44」與「gp62」。因為RB69其實與T4是同一個家族,所以我們比較了一下RB69的這兩個基因與T4的有多像。


結果發現,gp44的相似度達到88%,gp62的相似度來到83%。那時想,這麼像,應該沒戲啦。


沒想到,當我們想要用RB69的gp44與T4的gp62組團(它們本來就會形成一個複合體),這樣的「混雙」卻幾乎沒有活性。


於是我就去看這兩個蛋白質的序列比較,結果發現gp62的N端長得不像,而gp44的C端也長得不像。後來,我們也製作了嵌合體,把gp62的N端互換,也把gp44的C端互換,然後發現,決定它們能不能組成有活性的複合體的區域,就是在這些不像的地方。不過,我們雖然也想找找那個胺基酸比較重要,但是找了幾個都看不出來,所以就只能這樣啦。


只可惜,我畢業以後,指導教授就沒有把這部分的故事寫出來了。看到人家上了Nature,真的覺得蠻羨慕的,不過這大概就是一人一種命吧。


參考文獻:


Tsukahara, S., Bousios, A., Perez-Roman, E. et al. Centrophilic retrotransposon integration via CENH3 chromatin in Arabidopsis. Nature (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-024-08319-7


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