反刍动物基因组探秘：发现山羊中两个近期活跃的内源性逆转录病毒家族

为解决反刍动物 ERV 研究不足的问题，法国研究人员开展反刍动物基因组中 ERV 的研究。他们发现两个在山羊中近期活跃的 ERV 家族。该研究为探究 ERV 进化及与宿主基因组关系提供新视角，值得科研读者一读。

　　

在神秘的生物基因组世界里，有一种特殊的 “居民”—— 内源性逆转录病毒（ERV，Endogenous Retrovirus），它们可是基因组中的 “神秘客”。ERV 是远古逆转录病毒感染生殖细胞后，永久整合进宿主基因组的遗迹，就像病毒在宿主基因组里留下的 “化石”，随着宿主基因代代相传。在哺乳动物的基因组中，ERV 占比可不小，人类基因组里有 8% - 10% 都是它们的 “地盘”，老鼠基因组也有相当一部分被其占据 。

ERV 的基因组结构很有特点，它包含 gag、pro、pol 和 env 这四个逆转录病毒基因，分别编码特异性抗原、蛋白酶、聚合酶和包膜蛋白，基因两侧还 “站” 着长末端重复序列（LTR，Long Terminal Repeat） 。按照转座元件分类，ERV 属于 LTR 逆转座子，根据与外源性逆转录病毒的进化关系，又能细分为 Class I、II、III 三类^[7-9] 。大部分 ERV 插入基因组后，因为突变的积累变得 “沉默”，失去了功能。不过，偶尔也有一些 “倔强” 的 ERV 保留了编码能力，还能搞点 “小动作”，比如进行转座，或者重新感染其他细胞^[13,14] 。更神奇的是，有些 ERV 还被宿主 “招安”，在生物体内发挥重要作用，像来源于逆转录病毒包膜蛋白的合胞素基因，在多个哺乳动物物种中被捕获，对胎盘形成至关重要^[15,16] 。当然，ERV 要是 “调皮捣蛋”，活动不受控制，也会带来麻烦，可能导致基因组不稳定，引发癌症、神经退行性疾病和自身免疫性疾病等^[18-25] 。

虽说 ERV 在人类身上已经被研究得比较透彻，但在牲畜物种中，它还是个 “神秘地带” 。像绵羊和山羊这类小型反刍动物，它们和 ERV 的关系很特别，是研究 ERV 的好对象。在小型反刍动物中，外源性的绵羊肺腺瘤病毒（JSRV^[1]，Jaagsiekte Sheep Retrovirus）和绵羊鼻内肿瘤病毒（ENTV^[1]，Enzootic Nasal Tumor Virus）能引发呼吸道癌症，而它们和之前发现的内源性绵羊肺腺瘤病毒（enJSRV^[1]，Endogenous Jaagsiekte Sheep Retrovirus）关系密切^[33-36] 。已有研究表明，这些 ERV 在绵羊体内经过数百万年的演化，参与了生殖生理过程，甚至可能帮宿主抵御外源性逆转录病毒的感染，不过在体内这种保护作用到底有多大，还不太清楚^[28,37-41] 。还有研究发现，enJSRV 插入会对绵羊的表型产生影响，而且在绵羊群体中具有高度多态性^[42,43] 。可对于山羊体内 ERV 的情况，大家了解得少之又少，小型反刍动物整体的 ERV 情况也缺乏详细记录，牛、羊、山羊之间也没有全面的对比研究^[44-46] 。

为了揭开小型反刍动物 ERV 的神秘面纱，法国的研究人员展开了一场基因组探秘之旅。他们的研究成果发表在《Mobile DNA》期刊上，论文标题是 “A genome - wide study of ruminants uncovers two endogenous retrovirus families recently active in goats” 。这场探秘之旅收获颇丰，研究人员发现了两个在反刍动物基因组中，尤其是在家养山羊中近期具有转座活性的 ERV 家族，这一发现揭示了不同物种间 ERV 的独特进化动态，也凸显了 ERV 对基因组景观持续存在的影响，为后续研究 ERV 在这些基因组中的进化轨迹指明了方向。

在这场探秘中，研究人员用到了几个关键的技术方法。首先是利用 RepeatModeler 软件进行从头 ERV 识别，在牛、家羊、野羊、家山羊和野山羊这五种反刍动物的基因组中寻找 ERV 的 “踪迹”。接着，他们对识别出的序列进行手动筛选，去除冗余信息，准确注释逆转录病毒基因。之后，通过与已知的逆转录病毒序列进行比对和系统发育分析，对 ERV 进行分类。在注释参考基因组时，使用 RepeatMasker 软件标记 ERV 插入位点。最后，运用多种分析方法，如序列比对计算差异分数、比较 LTR 序列、注释开放阅读框（ORF^[1]，Open Reading Frame）以及检测共线性插入位点等，来深入研究 ERV 的特征和进化情况 。

下面来看看研究人员在这场探秘中都有哪些奇妙发现。

小型反刍动物共享相同的 ERV 家族

研究人员发现了 24 个 ERV 家族，其中 14 个属于 Class I，10 个属于 Class II 。这些家族分布在牛、家羊、野羊、家山羊和野山羊的基因组中，13 个家族的共有序列在这几种动物中都存在，不过也有一些家族比较 “特别”，3 个家族只在牛中出现，8 个家族仅在小型反刍动物中被发现，但没有一个家族是某一种小型反刍动物特有的 。虽然绵羊和山羊总体上共享相同的 ERV 家族，但具体到每个物种，ERV 家族的共有序列数量和基因完整性都有所不同 。而且，和 Repbase 数据库中的序列相比，研究人员发现了一些新的家族，还发现数据库中的序列存在冗余等问题 。

反刍动物进化过程中 ERV 家族的多次整合事件

为了弄清楚 ERV 家族在反刍动物进化历程中的 “足迹”，研究人员在 20 多种反刍动物中寻找这些 ERV 家族的身影 。结果发现，有些家族很 “古老”，像 I - 1、I - 5、I - 7 这三个家族，在所有分析的物种中都能找到，它们的首次整合可能发生在 4000 多万年前的始新世 。还有一些家族在不同时期出现，小型反刍动物特有的 8 个家族，是在与牛科物种分化后，经过多次整合事件才出现的 。通过这些研究，研究人员绘制出了 ERV 家族在反刍动物进化过程中的 “时间表”，让我们对它们的演化有了更清晰的认识 。

不同物种间 ERV 的差异插入动态

研究人员对 ERV 进行注释后，估算出它们在不同基因组中的比例。发现 ERV 插入数量在不同物种中有所差异，约占基因组的 0.65% - 1.07%，而且 Class I ERV 插入在数量上占优势 。进一步比较不同物种的 ERV 家族比例，发现不同家族在不同物种中的丰度差异很大 。分析序列差异还发现，Class I ERV 大多不再活跃，但有少数近期转座的拷贝；Class II ERV 的序列差异呈现多样化，有多个峰值，显示出不同的活性模式 。在一些家族中，如 II - 3 和 II - 5，在家养山羊中表现出独特的模式，有较多近期插入的拷贝 。

家养山羊中古老家族的重新激活：聚焦 II - 3 家族

研究人员重点关注了 II - 3 家族，发现这个家族在家养山羊中的拷贝数比其他小型反刍动物多 。对插入位点的分析表明，虽然有一些插入位点在不同物种中是共享的，但家养山羊有很多特有的插入位点 。通过比较插入片段的长度、LTR 序列差异等，研究人员推测这个家族在家养山羊中可能经历了近期的转座爆发，不过目前还没发现具有完整 ORF 的拷贝，其转座机制还需要进一步研究 。

小型反刍动物中最新的 ERV 家族可能仍有活性：聚焦 II - 5 家族

II - 5 家族在家养山羊中的拷贝数也比绵羊多，而且这个家族的拷贝在小型反刍动物中保存得比较好，有些还含有完整的 ORF，这意味着它们可能具有自主逆转录转座的能力 。通过比较插入位点，研究人员发现绵羊和山羊之间没有共线性插入，说明这些插入可能是在两个属分化后发生的 。对家养山羊拷贝的系统发育分析显示，这些拷贝序列相似性高，但与野生山羊的拷贝进化机制有所不同 。

综合这些研究结果，研究人员成功构建了反刍动物 ERV 共有序列库，并对 ERV 进行了高分辨率注释，为我们了解 ERV 的进化历史提供了新视角 。在过去的 4000 万年里，ERV 在反刍动物基因组中一直很活跃，塑造着基因组景观 。新发现的两个近期活跃的 ERV 家族，尤其是在家养山羊中的活性，为后续研究 ERV 与宿主基因组的相互作用打开了新大门 。这不仅有助于我们深入了解 ERV 的转录活性、调控机制和功能影响，还能为群体基因组学研究提供重要资源，帮助我们进一步探究反刍动物物种中作用于这些基因组元件的选择压力 。这场对反刍动物 ERV 的探秘之旅虽然取得了重要成果，但 ERV 还有很多秘密等待我们去揭开，未来的研究之路依然充满挑战与惊喜 。