《aBIOTECH》：Deciphering the dynamics of active autonomous terminal inverted repeat transposons in the plant kingdom
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本研究针对植物界近期活跃的自主末端反向重复（TIR）转座子缺乏系统性认知的问题，开发了数据蒸馏流程，对1007个植物基因组进行分析，鉴定出3203个活跃簇，揭示了其以低拷贝数维持、谱系特异性多样化及功能灭绝为主的动态特征，并发现MULE超家族占主导地位。研究进一步以玉米MuDR为模型，证实了转座酶MURA与辅助蛋白MURB的相互作用，为理解转座子-宿主协同进化及开发植物生物技术工具提供了关键见解和宝贵资源。
在生命世界的宏大叙事中，基因组并非一成不变的静态蓝图，而是充满动态变化的复杂生态系统。其中，转座子（Transposable Elements, TEs）作为一类能够移动的DNA序列，扮演着基因组“不安分因子”的角色，深刻影响着遗传多样性和基因组演化。在植物王国，转座子更是基因组构成的主力军，其活动为作物驯化、适应性进化以及重要农艺性状的形成提供了丰富的原材料。然而，对于转座子家族中一类关键成员——末端反向重复（Terminal Inverted Repeat, TIR）转座子——近期在植物界的活动动态，科学界一直缺乏全面而系统的认识。传统的基因组学研究多集中于少数模式物种或特定转座子家族，难以揭示其跨物种、跨谱系的普遍规律。这种认知的局限，阻碍了我们对转座子与宿主之间持续不断的“军备竞赛”以及它们如何共同塑造当今植物基因组格局的深入理解。为了破解这一难题，一项发表在《aBIOTECH》上的研究应运而生。
研究人员开发了一套专门的数据蒸馏（data-distillation）生物信息学流程，旨在系统性地从1007个覆盖从藻类到被子植物的高质量基因组组装中，鉴定出近期活跃的自主型TIR转座子。研究将“近期活跃”操作性地定义为在基因组内保持至少两个结构完整（具有完整TIR和靶位点重复TSD）、序列相似度高达99%以上的拷贝，这暗示了其在进化尺度上（估计为0.5-5百万年内）的近期增殖事件。通过对这些活跃转座子簇的分布、丰度、异质性以及编码蛋白特征进行深入分析，并结合分子实验验证，该研究绘制了一幅前所未有的植物界活性自主TIR转座子动态图谱。
本研究的关键技术方法主要包括：基于1007个植物物种的高质量基因组数据进行TIR转座子注释；利用严格的序列相似性阈值（如99.0% identity）和结构完整性标准来定义和聚类近期活跃的自主转座子；通过全对全序列比对分析转座子异质性；对四个代表性作物（玉米、水稻、马铃薯、白菜）进行多品系基因组分析以评估种内多样性；以及运用共免疫沉淀（Co-IP）、GST Pull-down和分裂荧光素酶（Split-luciferase）等体外和体内实验验证蛋白质相互作用。
2. 结果
2.1. 植物中近期活跃的自主TIR转座子表现出谱系特异性动态
研究在1007个植物物种中鉴定出3203个近期活跃的自主TIR转座子簇。这些簇在植物界分布不均，非维管植物中活跃簇比例极低（0.9%），而维管植物则显示出更活跃的扩张动态。绝大多数（93.3%）活跃簇维持着低拷贝数（≤10个拷贝），表明存在强大的宿主调控机制限制其过度增殖。功能灭绝（即缺乏近期增殖的活跃转座子）在物种间很常见，42.7%的物种未检测到任何近期活跃的自主TIR转座子。在活跃转座子超家族中，MULE（Mutator-like element）占据主导地位，占总簇数的57.6%，而CACTA和hAT等也显示出特定的谱系分布模式。
2.2. 活跃自主TIR转座子的广泛异质性
对所有活跃簇共识序列进行全对全比较，发现其序列一致性普遍较低，表明大多数近期活跃的转座子是在其宿主谱系内独立进化的。研究发现了76对存在于不同物种间、序列高度相似（≥99.0%）的活跃簇对，其中大部分存在于近缘物种、多倍体亚基因组或作物与其野生亲缘种之间，提示了垂直遗传或在驯化过程中的保留。对玉米、水稻、马铃薯和白菜四个作物物种的多品系分析揭示了显著的种内异质性，63.7%的TIR转座子簇严格限于特定基因型，仅有2.9%在所有四个分析品系中保守，这表明单一参考基因组会严重低估转座子的动态，需要进行多品系调查。
2.3. 植物MULE转座子的结构多样性和蛋白质模块性
对活跃转座子编码蛋白的分析显示，MULE转座子具有独特的结构特征，如其末端反向重复序列（TIRs）平均长度远长于其他家族（约200 bp），且其转座酶（如MURA型）通常具有较长的N端和C端延伸。这些可变末端可能与辅助蛋白相互作用，从而适应植物基因组环境。为了探索MULE的蛋白质模块功能，研究以玉米中超活跃的MuDR转座子为模型。通过克服MURA蛋白在大肠杆菌中的克隆毒性（通过R724K突变），研究首次通过共免疫沉淀、GST Pull-down和分裂荧光素酶实验，提供了直接的体内外证据，证明转座酶MURA的N端区域（第1-209位氨基酸）与辅助蛋白MURB发生相互作用。这一发现揭示了MULE转座子通过其转座酶的可变末端与辅助蛋白协作，可能精细调控其转座活动的新机制。
3. 讨论
该研究通过构建一个精心筛选的活性自主TIR转座子目录，揭示了它们在植物界动态且多样化的生存策略。研究结果强调了谱系特异性、低拷贝数维持以及功能灭绝是这些转座子的常见命运。MULE超家族的成功归因于其结构灵活性（如长TIRs）和蛋白质的模块化进化（如转座酶的可变末端）。研究证实了MULE转座子中转座酶与辅助蛋白的直接相互作用，这与在其他TIR超家族（如PIF/Harbinger和CACTA）中观察到的现象趋同，揭示了转座子适应宿主的一种常见策略。
这项研究的意义重大。它提供的活性TIR转座子图谱不仅是理解转座子-宿主协同进化的宝贵资源，更重要的是，由于这些内源转座子具有宿主特异性，它们为开发针对不同植物物种（包括主要作物）的、无需大量优化即可应用的遗传操作工具包（如用于诱变和基因递送）奠定了坚实的基础。该研究将推动植物功能基因组学和作物精准育种的发展。未来研究需要在更广泛的植物谱系（特别是基部植物）中扩大取样，并深入探索亚基因组水平上TIR转座子的动态，以更全面地揭示其进化规律和应用潜力。
