转座因子有助于形成表观遗传调控机制

表观遗传机制是怎样演化而来的？这个问题最为确切的答案可能就基于真核生物行使着远比原核生物复杂且精细得多的表观遗传机制，包括阻遏蛋白复合体、组蛋白甲基化、RNA干扰、重组调控复合体和植物中特有的RNA指导的DNA甲基化等。这一系列机制都涉及染色体的结构状态和基因表达的调控（图7-29）。

以动物为材料的实验也提示转座因子与表观遗传调控密切关联。如果将红眼基因（red，r）通过转基因技术插入黑腹果蝇4号染色体的不同位置，就会发现转基因插入位点与转座因子的距离直接决定了产生特征性位置效应性色斑（position effect variegation，PEV）的程度。实验中转基因插入染色体的位置可以接近转座因子所在区段，也可以接近功能性基因所在区段，实验中果蝇呈现的表型因转基因插入位置不同而不同。图7-30用红色三角形表示转基因果蝇的眼睛呈红色，用斑驳的三角形表示转基因果蝇的眼睛带不均匀的色斑。我们可以发现，凡是插入位置靠近基因组中功能活跃的基因区段的转基因r的表型是红眼，而插入位置靠近转座因子或完全插入转座因子序列的转基因r的表型就会呈现出程度不等的色斑。实验还提示果蝇4号染色体的大部分区域由异染色质组成，基因则主要聚集于散在的基因岛（gene islands），也提示插入这些区域的转基因很可能因受到异染色质区持续的表观遗传调控而呈现不同程度的沉默。

图7-29　各种表观遗传调控机制作用模式（改自C.Miguel等）

植物特有的RNA指导的DNA甲基化（RdDM）涉及两种植物特异性RNA多聚酶（pol Ⅳ和polV），一种RNA依赖的RNA多聚酶（RDR2），一种切割双链RNA的酶（DCL3），以及一种Argonaute家族的RNA结合蛋白（AGO4）。mCG、mCHG和mCHH是基于mCPG的前后序列不同的胞嘧啶甲基化形成。

图7-30　P转座子插入位置对果蝇红眼基因表达的影响示意（改自R.K.Slotkin等）

回顾第5章讲到的一个例子，将源自逆转座子的内质网潴泡内A颗粒（intracisternal A-particle，IAP）插入小鼠的Agouti基因，IAP携带的隐含启动子就会启动Agouti基因的异位转录表达，而该启动子区域中CpG岛的差异甲基化则会造成部分细胞中的Agouti基因表达受抑，甚至完全沉默，使小鼠的毛色出现从以黄色为主到杂以大小不等的棕褐色斑块的复杂表型（图5-29）。

哺乳动物DNA甲基转移酶基因克隆成功时，学者们立刻意识到这与原核生物的限制修饰酶的甲基转移酶结构域是相似的。真核生物表观遗传调控机制在生物演化上的起源基础是细菌区分内源DNA与噬菌体感染或水平转移的外源入侵DNA的一种保护机制。真核生物和原核生物都广泛存在胞嘧啶甲基化，真核生物还进一步在细菌的限制-修饰系统基础上，通过衍生出新的识别和结合机制而演化成更为完整的表观遗传修饰系统。与DNA甲基化机制演化平行的是组蛋白修饰酶和基于RNA的沉默机制，如RNA干扰。细胞内可扩散的RNA小分子是以基因组的转录产物为靶标的最为重要的基因沉默机制的执行者，这意味着新的逆转座因子不能借助转座来逃避真核基因组对它的调控，也就不可能引起染色体或基因组的结构和功能紊乱。

真核生物对付转座因子可能造成“扰乱”的各种机制聚焦的核心问题就是调动一切手段来减少DNA复制和DNA损伤修复中位置不准确或错误的DNA重组，以确保基因组和染色体的稳定。无论植物还是动物都用表观遗传机制调控基因组内转座因子的扩增。另一个关键问题是基因组必须有能力通过多种机制来实现生长和发育过程中不同基因的差异性表达，而最为稳定的机制也就是包含DNA甲基化和组蛋白修饰，以及可扩散RNA为介导的转录调控机制。在生殖细胞发生过程中一个重要的表观遗传重编程事件是导致两性配子的基因表达模式差异的基因印迹现象，而近期有研究表明，转座因子也在其中扮演了某种核心作用。现在这些机制已经成了一套紧密关联的调控网络。有的学者甚至认为，转座因子在真核生物基因组中的不断积累就是为了保留和改善表观沉默机制。

非常有趣的是真核生物基因组用来阻遏和抵御转座因子转座和扩增的一套方法，竟然在生物演化过程中发展成了对自身基因组的结构扩展和功能完善至关重要的一整套调控机制，例如某些哺乳动物染色体复制必需的端粒酶与逆转座子编码的逆转录酶从生物演化角度可以讲是“亲戚”。此外，染色体的中心粒不仅自身由大量重复序列组成，它的四周也围聚着许多转座子。大自然的造化有时真的令人匪夷所思。

真核基因组中存在的大量转座因子显然并不是过去被某些人称为的“自私的垃圾DNA”，恰恰相反，转座因子很可能对寄主的生存和生物演化有着广泛而深远的积极作用。总之，转移性遗传因子的存在大大增加了真核生物基因组的能动性，这必定与真核生物的分化、发育、变异和演化密切相关。我们对转移因子的了解还在继续深入的过程之中，虽然我们知道了一些转移因子的结构和功能，提出了一些作用模式，还设计出了多种遗传工程战略战术和广泛用于实验研究的工具性载体分子，但是我们也要清醒地看到，所有这些比起转移因子的发现所提出的新问题，还只是刚刚起步。