​Nat Commun | 刘琬璐/Amander T. Clark课题组联合揭示人特异性逆转座子LTR5Hs早期生殖系统发育

精子和卵子承载了生命体代代相传的遗传和表观遗传信息，缔造了每一个生命的起源；而精子和卵子的形成依赖于生殖系统精密且复杂的发育调控过程。最原始的生殖细胞在胚胎发育的早期（受精后第11-12天【1】）就已经形成，被称为原始生殖细胞（Primordial Germ Cells，PGCs）；原始生殖细胞的发育失败是不孕不育的重要因素之一。在各种动物模型中，PGCs的发育过程和影响因素已被广泛研究【2】，但由于伦理和技术的限制，调控人原始生殖细胞（human PGCs，hPGCs）发育的精确机制尚不清楚，也是人胚胎发育过程中的经典“黑箱问题”之一。

转座子 (Transposable Elements, TEs)，俗称“跳跃基因”，是基因组中可移动的 DNA 序列。在人类基因组里，编码蛋白质的 DNA 序列只占约 1%，而非编码区域的转座子序列占比高达 45%以上。人类基因组中的绝大多数TEs是逆转录转座子，通过RNA作为中间载体在基因组中进行转座，它产生的基因组变异是很重要的物种进化推力【3】。尽管大多数逆转座子经过漫长的演变，已经失去了转座能力，但其仍可以作为启动子、增强子或其他调控元件参与各种重要生物学过程【4】。

为了维持基因组的完整性，转座子通常被 DNA 甲基化等抑制性表观遗传机制所沉默【4】。在原始生殖细胞形成过程中，本被抑制的逆转座子被激活且高度动态表达。因此，研究人类原始生殖细胞的发育分化过程中逆转座子的调控机制对于深入理解人类胚胎发育以及胚胎停育、不孕不育等疾病具有重要意义。

2022年1月24日，Nature Communications在线发表了浙江大学爱丁堡大学联合学院（ZJE）刘琬璐研究员和加利福尼亚大学洛杉矶分校（UCLA）Amander T. Clark教授课题组关于逆转座子与原始生殖细胞的最新研究进展Human reproduction is regulated by retrotransposons derived from ancient Hominidae-specific viral infections。

该工作通过对逆转座子在人早期胚胎生殖系统发育过程中的功能进行探究，揭示了一种人特异性逆转座子的表观遗传调控在人原始生殖细胞发育中不可或缺的作用，为人类生殖系统区别于其他物种的进化过程提供了证据。作者同时开发了可以动态查询在人原始生殖细胞体外诱导过程中逆转座子表达模式的可视化网站（https://labw.org/germlineTE/）。

为了探究逆转座子在原始生殖细胞发育过程中扮演的角色，作者首先通过人原始生殖细胞体外诱导过程中的RNA-seq和scRNA-seq两个视角，探究了逆转座子的动态表达模式。结果表明，LTR5Hs，一种人特异性逆转座子，在人原始生殖细胞类细胞（hPGC-Like Cells，hPGCLCs）诱导过程中广泛且高度地被上调，暗示它可能发挥重要的作用。

表观基因组学是揭秘基因组调控元件身份的“金钥匙”。为了探究hPGCLCs诱导过程中的表观遗传模式，鉴定逆转座子可能发挥的功能，作者深度解析了逆转座子所在区域的染色质可及性、DNA甲基化和组蛋白修饰模式。多组学分析显示，LTR5Hs在此过程中被开放且拥有特异的去甲基化模式，并广泛富集H3K27ac组蛋白修饰。由此，作者推测LTR5Hs活跃的表观遗传模式可能介导了人类特有的PGC发育过程。

LTR5Hs被激活的表观遗传模式预示了其作为增强子（TE Embedded eNhancers ，TEENhancer）的功能。为了进一步确认此推测，作者对LTR5Hs的转录因子结合情况进行了探究。ChIP-seq数据显示，LTR5Hs元件可以作为潜在的增强子位点，结合hPGC发育过程中重要的转录因子如NANOG，TFAP2C，SOX17和SOX15，从而调控下游基因的表达。

最后，作者对LTR5Hs在hPGCLCs诱导过程中的功能进行了验证。通过CRISPR-dCas9抑制LTR5Hs的活性，能够显著降低hPGCLCs的诱导效率，且差异表达基因关于LTR5Hs元件位点呈很明显的增强子模式，进一步说明了LTR5Hs在人原始生殖细胞发育过程中不可或缺的地位。

综上，作者通过系统解析人原始生殖细胞体外诱导过程中的表达模式、转录因子结合情况与表观遗传多组学，并通过功能验证，首次发现了一种人特异性逆转座子LTR5Hs作为增强子，在人早期生殖系统正常发育过程中的重要作用。考虑到逆转座子对基因库更新的贡献，一种可能的解释是，在物种进化过程中，LTR5Hs，这种在其他物种中没有出现的逆转座子，对生殖细胞的发育是有利的，从而提高了人类的生殖适应性，形成了人类特有的生殖系统发育调节模式。

浙江大学-爱丁堡大学 2020级生物信息学专业联培博士生相欣雨和UCLA校友陶余博士为本文共同第一作者，ZJE生物医学专业大四本科生张金淳和ZJE生物信息学专业博士生薛子为分别为论文第五和第六作者。UCLA博士生Jonathan DiRusso、Fei-Man Hsu博士，EPFL Julien Pontis博士、Didier Trono教授也参与了此项研究。

文章链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-022-28105-1

制版人：十一

参考文献

[1] Chen, D. et al. Human primordial germ cells are specified from lineage-primed progenitors. Cell Rep. 29, 4568–4582.e5 (2019).

[2] Hancock, G. V., Wamaitha, S. E., Peretz, L. & Clark, A. T. Mammalian primordial germ cell specification. Development 148, dev189217 (2021).

[3] Friedli, M. & Trono, D. The Developmental Control of Transposable Elements and the Evolution of Higher Species. Annu. Rev. Cell Dev. Biol. 31, 429–451 (2015).

[4] Chuong, E. B., Elde, N. C. & Feschotte, C. Regulatory activities of transposable elements: from conflicts to benefits. Nat. Rev. Genet. 18, 71–86 (2017).

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