轉(zhuǎn)座元件（TE）是一種可移動的遺傳元件，可以隨機(jī)整合到基因組的其他位置。歷經(jīng)了漫長的進(jìn)化過程，轉(zhuǎn)座元件大約占人類基因組的40%左右。TE促進(jìn)了生物遺傳多樣性及基因組進(jìn)化；但也可能產(chǎn)生有害突變，導(dǎo)致包括癌癥在內(nèi)的多種疾病。在胚胎早期發(fā)育過程中，重復(fù)元件的表達(dá)是動態(tài)的且階段特異性的，大多數(shù)重復(fù)元件在著床前的表達(dá)是被抑制的。然而，合子基因組首次轉(zhuǎn)錄時(shí)，大量逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子的表達(dá)會被激活。其中LINE-1作為最豐富的一類逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子，在早期發(fā)育的特定階段高度表達(dá)；LINE-1激活異常會干擾胚胎的發(fā)育進(jìn)程，表明反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子的激活是發(fā)育過程中不可或缺的一環(huán)。然而，LINE-1元件本身是否在胚胎發(fā)育及基因表達(dá)調(diào)控中發(fā)揮作用目前尚不清楚。
2023年8月17號，來自東南大學(xué)的林承棋與羅卓娟教授課題組在Nature Cell Biology發(fā)表題為“Young LINE-1 transposon 5’UTRs marked by elongation factor ELL3 function as enhancers to regulate na?ve pluripotency in embryonic stem cells”的研究論文。該論文首次報(bào)道LINE-1 5’UTR可作為增強(qiáng)子，調(diào)控相鄰基因活性，進(jìn)而促進(jìn)早期胚胎全能性的建立。
轉(zhuǎn)錄延伸因子ELL3 是RNA Pol II 延伸因子家族的成員，在胚胎干細(xì)胞中，ELL3與增強(qiáng)子結(jié)合，介導(dǎo)小鼠胚胎干細(xì)胞中RNA pol II在發(fā)育調(diào)節(jié)基因啟動子近端的結(jié)合，調(diào)控干細(xì)胞譜系分化。在本研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)在原始態(tài)胚胎干細(xì)胞中，ELL3主要結(jié)合在LINE-1轉(zhuǎn)座子L1Md_T的5’UTR區(qū)域，抑制L1Md_T的活性，并阻止附近基因的過度激活。三維染色質(zhì)構(gòu)象micro-C組學(xué)數(shù)據(jù)及4C分析發(fā)現(xiàn)，L1Md_T 5’UTR與相鄰基因的啟動子存在相互作用，提示它們可作為一類增強(qiáng)子行使功能。進(jìn)一步研究表明：ELL3通過募集TET1和SIN3A，調(diào)控L1Md_T 5’UTR上5hmc和H3K27ac水平，進(jìn)而調(diào)控其增強(qiáng)子活性。
ELL3缺失細(xì)胞系的轉(zhuǎn)錄組學(xué)數(shù)據(jù)顯示PI3K-AKT通路受到顯著影響，其中關(guān)鍵調(diào)控因子AKT3的表達(dá)隨著其基因序列內(nèi)部L1Md_T上調(diào)而被激活。此外，mESC從na?ve到primed狀態(tài)轉(zhuǎn)變過程中，ELL3的缺失也導(dǎo)致了ERK信號通路的激活受阻。在過表達(dá)AKT3的細(xì)胞中也檢測到同樣的現(xiàn)象，而對Akt3進(jìn)行敲低可以部分挽救ERK信號通路的激活。由此進(jìn)一步揭示ELL3可能通過抑制L1Md_T，調(diào)節(jié)AKT3-ERK信號通路，來調(diào)控小鼠胚胎干細(xì)胞全能性。有趣的是，AKT3-ERK信號通路在植入前胚胎全能性及第一次細(xì)胞命運(yùn)決定發(fā)揮關(guān)鍵作用。研究人員通過siRNA在合子中敲低Ell3，發(fā)現(xiàn)囊胚期L1Md_T和Akt3的表達(dá)上調(diào)，ERK1/2磷酸化水平降低，囊胚內(nèi)細(xì)胞團(tuán)Gata4/Gata6激活顯著受到抑制，提示ELL3亦可能通過類似機(jī)制調(diào)控在早期胚胎發(fā)育過程。
綜上，通過結(jié)合表觀遺傳學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)和基因功能分析，作者展示了在小鼠胚胎干細(xì)胞中，ELL3結(jié)合的L1Md_Ts可作為增強(qiáng)子，調(diào)控相鄰基因表達(dá)。特別地，ELL3可通過抑制Akt3第一個(gè)內(nèi)含子內(nèi)的L1Md_T的增強(qiáng)子活性來抑制Akt3，從而調(diào)節(jié)RAF-ERK通路的激活和干細(xì)胞全能性。
東南大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院林承棋教授和羅卓娟教授為該論文的共同通訊作者。東南大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院博士生孟思妍、博士生劉曉旭、博士生朱詩琪，及生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院的謝芃教授為該論文的共同第一作者。方海同，方可為該論文的共同作者。生科院謝維教授、孫飛教授，及昆明理工大學(xué)的陳凱教授亦參與了本項(xiàng)研究。本研究獲國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2018YFA0800100，2018YFA0800101，2018YFA0800103)、國家自然科學(xué)基金(32030017，31970617 ，31970626 ，32100529)、深圳市科技計(jì)劃(JCYJ20210324133602008，JCYJ20220530160417038，JCYJ20210324133601005，JCYJ20220530160416037), 云南省自然科學(xué)基金(202001BC070001，202102AA100053)資助。 （生科院）
