《Molecular and Cellular Biology》：Impact of Transposable Elements on DNA Double-Strand Break Repair and Genomic Stability
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这篇综述系统阐述了转座元件（TEs）通过诱导DNA双链断裂（DSBs）影响基因组稳定性的分子机制，重点探讨了同源重组（HR）与非同源末端连接（NHEJ）两大修复通路的作用，并揭示了DNA甲基化、组蛋白修饰等表观遗传调控在限制TE移动及维持基因组完整性中的关键角色，为癌症、神经退行性疾病等病理过程提供了新的治疗靶点见解。
转座元件：基因组中的“双刃剑”
摘要
转座元件（TEs）是真核生物基因组中不可或缺的组成部分，其自我繁殖能力可导致基因组缺失、倒位或插入，严重威胁基因组完整性。TE的移动会诱导产生DNA双链断裂（DSBs），其错误修复可能导致细胞功能障碍、病理改变甚至死亡。细胞主要通过同源重组（HR）和非同源末端连接（NHEJ）途径修复TE诱导的DSBs。此外，以DNA甲基化和组蛋白乙酰化为代表的表观遗传调控机制为精确DNA修复提供了额外控制层，并可能成为重要的治疗干预靶点。
引言
转座元件（TEs）是存在于几乎所有生物体中的离散DNA序列。它们并非“垃圾”DNA，而是主动塑造宿主基因组、共同利用细胞功能以确保自身生存的关键角色，在产生基因组多样性方面发挥着重要作用。然而，转座事件也可能产生有害后果，例如TE插入肿瘤抑制基因APC的最后一個外显子，会破坏其功能，并与结肠癌进展相关。TE的移动与DSBs的形成密切相关，这些断裂是最具毒性的DNA损伤，可引发导致肿瘤转化或细胞死亡的突变。
TEs主要分为两大类：逆转录转座子（Class I）和DNA转座子（Class II）。逆转录转座子通过“复制-粘贴”机制移动，利用RNA中间体和逆转录酶活性。DNA转座子则通过“剪切-粘贴”机制移动，利用转座酶和DNA聚合酶进行切除和重新整合。无论采用何种机制，TE的移动都会导致DSBs的形成，这些断裂需要宿主DNA修复通路进行修复。
转座子诱导的DNA双链断裂修复机制
细胞进化出了不同的修复过程来减轻转位的致命后果。修复始于DNA损伤反应（DDR），涉及ATM（共济失调毛细血管扩张突变）和ATR（ATM和Rad3相关）等检查点传感器激酶的协调作用。DSB修复主要通过HR和NHEJ两条通路协同进行。HR是一种高保真修复机制，但其活性局限于细胞周期的S和G2期。NHEJ是一种模板非依赖性修复过程，可在整个细胞周期中发挥作用，但通常容易在修复连接处产生插入或缺失。
同源重组修复（HRR）通路
HRR通路在修复DSB和塌陷的复制叉方面起着至关重要的作用。其核心步骤是DNA末端切除产生3‘单链DNA（ssDNA）悬突，随后由复制蛋白A（RPA）覆盖，进而被RAD51蛋白取代形成核蛋白丝，触发同源DNA交换。RAD51的活性和定位受到BRCA2等因子的调节。SUMO化修饰也能激活RAD51蛋白。HRR通路中的关键蛋白，如BRCA1、BRCA2和RAD51的缺陷与乳腺癌、卵巢癌等多种癌症的易感性密切相关。
非同源末端连接（NHEJ）修复通路
NHEJ通路始于KU70/KU80异源二聚体复合物对断裂DNA末端的识别和结合。随后，DNA依赖性蛋白激酶催化亚基（DNA-PKcs）被招募至损伤位点，并磷酸化多种下游蛋白，为连接做准备。Artemis核酸酶负责处理可能阻碍连接的发夹结构等复杂末端。最后，DNA连接酶IV（Lig4）在XRCC4和XRCC4样因子（XLF）的辅助下催化断裂末端的连接。尽管NHEJ易出错，但大多数TE诱导的DSB主要通过该途径修复。
转座事件的表观遗传调控
表观遗传机制在调控TE移动中扮演着关键角色。DNA甲基化是沉默TE的核心机制，通常通过在CpG位点添加甲基基团来实现。组蛋白修饰也具有强烈的调控作用，例如组蛋白H3第9位赖氨酸的三甲基化（H3K9me3）和H3第27位赖氨酸的三甲基化（H3K27me3）常发现于TE位点的核小体上，起到抑制TE活性的作用。相反，组蛋白乙酰化水平的升高则与TE的转录激活相关。此外，RNA干扰（RNAi）途径通过小RNA分子（如microRNA）介导序列特异性的TE沉默。例如，miR-128和let-7均被证实可通过直接结合LINE-1 RNA来抑制其逆转座。
转座子介导的宿主基因调控
尽管TE的移动可能带来风险，但它们也含有可独立地以组织特异性方式调控邻近基因的调控元件。TE可提供启动子和增强子序列，调节宿主基因表达，并产生非编码RNA和转录因子等新型调控元件。研究表明，人类约25%的候选顺式调控元件（cCREs）源自TE。在脑组织中，TE在特定状态下有助于神经元体细胞镶嵌现象，并在大脑发育和功能中发挥作用。此外，TE也与免疫系统调节密切相关，例如某些TE含有转录因子结合位点，可作为干扰素（IFN）诱导的增强子影响免疫反应。
修复通路受损与转座事件相关的后果
TE移动产生的DSB若修复不当，可引发一系列健康问题，包括癌症、神经退行性疾病（如阿尔茨海默病、帕金森病）、加速衰老等。例如，在阿尔茨海默病（AD）中，TE在异染色质区域的移动被识别为一种主要的基因组变化。修复因子（如BRCA1、BRCA2、ATM）的缺陷也与多种疾病易感性相关。病原体如乙型肝炎病毒（HBV）和结核分枝杆菌（Mtb）也可通过靶向宿主DNA修复通路来发挥其致病作用。
结论与未来展望
转座元件远非基因组中的“垃圾”，它们是基因组可塑性和完整性的关键调控者。对TE移动及其诱导的DSB修复机制的深入理解，不仅有助于阐明癌症、神经退行性疾病等复杂疾病的发病机制，也为开发新的生物标志物和治疗策略（如利用PARP抑制剂治疗HR缺陷型癌症）提供了新的视角。未来的研究需要进一步揭示TE在发育和细胞特异性中的角色，阐明精确沉默TE的机制，并探索利用TE组件进行基因组工程和治疗的潜力。
