综述：逆转录转座子—从神经发育和衰老的角度洞察神经系统疾病

《Translational Neurodegeneration》：Retrotransposon: an insight into neurological disorders from perspectives of neurodevelopment and aging

该综述聚焦逆转录转座子，阐述其在神经发育、衰老及多种神经系统疾病中的作用及机制。

　　

引言

神经系统疾病涵盖从发育异常到年龄相关退行性疾病等多种病症，神经发育异常和年龄相关神经退行性变都对其发病和进展有重要影响。转座子在神经科学研究中受到越来越多关注，逆转录转座子作为转座子的一种亚型，能通过 RNA 中间体在基因组内移动。大量证据表明，逆转录转座子包括长散在核元件 - 1（L1）、Alu、SINE - VNTR - Alu（SVA）和内源性逆转录病毒（ERV）等，在神经发育、神经衰老以及神经系统疾病的发病机制中发挥作用。本综述旨在强调逆转录转座子对神经发育和神经衰老的影响，并探究它们如何引发神经系统疾病。

逆转录转座子概述

逆转录转座子的概念和分类

转座子是可移动的遗传元件，占人类基因组的 50% 以上，大致分为逆转录转座子（I 类转座子）和 DNA 转座子（II 类转座子）。逆转录转座子通过 RNA 的逆转录 “复制 - 粘贴” 过程移动，而 DNA 转座子通过 “切割 - 粘贴” 机制移动。DNA 转座子在大多数哺乳动物中不活跃，而逆转录转座子活跃。

逆转录转座子根据进化谱系、结构特征和在宿主基因组中的重新整合机制，分为长末端重复（LTR）和非 LTR 亚类。LTR 元件包括内源性逆转录病毒（ERVs），通过整合依赖（IN）途径重新插入，约占人类基因组的 8%。ERVs 大部分在逆转录转座方面不活跃，但某些亚家族如 HERV - K 仍具有转录活性，与多种疾病相关。

非 LTR 逆转录转座子采用靶引物逆转录（TRPT）策略，包括长散在核元件（LINEs）、短散在核元件（SINEs）和 SVA 元件，它们共占人类基因组序列的约 30%。人类特异性 LINE 亚家族 L1_HS是人类基因组中唯一自主活跃且可转座的元件，每个基因组约有 80 - 100 个全长 L1_HS拷贝保留转座能力。Alu 和 SVA 等其他逆转录转座子属于 “非自主” 型，依赖 L1 机制将 RNA 整合到基因组中。

除了逆转录转座，新老逆转录转座子元件还能以多种方式影响基因组结构和功能，如提供增强子、转录因子结合基序和表观遗传动态序列，影响宿主基因座的转录活性。

逆转录转座子活性对人类基因组结构和功能的影响

逆转录转座子活性显著影响人类基因组结构和功能。Alu 插入约每 20 个新生儿中就有 1 例，L1 和 SVA 插入约每 100 - 200 个新生儿中出现 1 例，这些插入导致显著的基因组多态性，可能引发突变。早期发育过程中的体细胞转座可能导致病理结果。

此外，逆转录转座子转录也会产生负面影响。转座元件（TE）衍生的核酸可触发先天免疫反应，其转录本可生成影响基因调控的非编码 RNA，TE 衍生的肽可能具有细胞毒性，促进疾病发展。

逆转录转座子主要由表观遗传机制调控，包括 DNA 甲基化和组蛋白修饰，这些机制确保逆转录转座子沉默，防止基因组不稳定。DNA 甲基化由 DNA 甲基转移酶（DNMTs）维持，尤其是 DNMT1，在成年神经元中表达，维持非分裂细胞中逆转录转座子的抑制。在早期发育中，DNA 甲基化模式重新编程，逆转录转座子最初由 H3K9me3 介导的组蛋白修饰沉默，随后被稳定的 DNA 甲基化取代。在多能干细胞中，TRIM28 和 KRAB - ZFPs 形成关键复合物抑制逆转录转座子。在神经祖细胞中，逆转录转座子的沉默机制更为复杂，某些 TE 受 DNA 甲基化和组蛋白修饰共同调控。

逆转录转座子与神经发生

神经发生概述

神经发生是神经干细胞（NSCs）或神经前体细胞 / 神经祖细胞（NPCs）增殖并分化产生新神经元的过程。在哺乳动物中，神经发生发生在胚胎 / 围产期（胚胎神经发生）以及成年中枢神经系统的两个特定区域：侧脑室的室管膜下区和海马齿状回的颗粒下区（成年神经发生）。虽然成年神经发生与胚胎神经发生有相似之处，但在增殖率、分化模式和细胞微环境变化等方面存在显著差异。目前对这两个阶段神经发生的内在调控机制尚未完全理解，但研究表明逆转录转座子活性可能在两个过程中都起作用。

L1 对成年神经发生的影响

多能 NSCs 存在于大脑的神经发生区域，具有多能性、可分化为神经胶质祖细胞进而成熟为星形胶质细胞或少突胶质细胞、可分化为 NPCs 等特征。研究发现，从 NSCs 分化为 NPCs、NPCs 分化为神经元以及神经元成熟的过程中，都有显著的逆转录转座子活性，主要是 L1 活性。

多项研究表明 L1 在神经分化过程中动态表达。Della Valle 等人观察到小鼠胚胎成纤维细胞向多巴胺能神经元转分化过程中 L1 被激活，暗示 L1 活性与神经分化可能存在潜在联系。Muotri 和 Prak 等人发现 NSCs 中 L1 逆转录转座频率较低但可检测到，神经元分化开始后的 48 小时内频率显著增加，这表明 L1 在 NSC 自我更新时受到抑制，在分化为 NPCs 时被激活。J?nsson 等人发现 L1 激活会导致人类神经祖细胞（hNPCs）中大多数参与神经元分化的基因上调，基因本体分析证实这些基因在突触传递和细胞通讯方面富集，说明 L1 在 NPCs 向神经元分化中起调节作用。此外，L1 在成熟神经元中也能逆转录转座。

L1 的去抑制和激活

• L1 的表观遗传调控：DNA 甲基化是 L1 表观遗传调控的主要形式，DNA 甲基化导致 L1 转录抑制，去甲基化的 L1 通常转录活性升高。L1 的 5’UTR 含有内部 RNA 聚合酶 II 启动子，负责指导 L1 转录，5’UTR 和相邻的 CpG 岛的甲基化介导该启动子的抑制，从而调节 L1 转录。研究发现，人类特异性 L1 亚家族中最年轻且最活跃的转录活性（Ta）亚家族在多能细胞中广泛低甲基化，在神经分化过程中甲基化。Salvador - Palomeque 等人观察到人类诱导多能干细胞（iPSC）分化为神经元过程中 L1 启动子甲基化动态变化，随着神经元成熟甲基化水平升高。此外，进化上年轻的 L1 去甲基化或低甲基化区域可能获得组蛋白标记 H3K27ac，作为附近许多与神经元功能和精神疾病相关的蛋白质编码基因的替代启动子。DNA 甲基化受甲基 - CpG 结合蛋白 2（MeCP2）和 DNMT1 等蛋白质调节。J?nsson 等人利用 CRISPR - Cas9 敲低 hNPCs 中维持 DNA 甲基化的关键基因 DNMT1，发现这些细胞 DNA 去甲基化后 L1 激活增加。Coufal 等人和 Muotri 等人发现 MeCP2 在神经发育过程中调节 L1 逆转录转座，MeCP2 结合 L1 启动子中的甲基化 DNA，抑制 hNPCs 中 L1 转录。

• 转录因子对 L1 的调控：SOX2 属于 SOX - B 蛋白家族，在哺乳动物胚胎发育中起调节作用，主要在早期胚胎神经元细胞中表达，抑制 NSCs 分化。Muotri 等人发现 SOX2 与 HDAC1 结合形成抑制复合物，与 L1 启动子相互作用，抑制小鼠 NSCs 中 L1 表达。当 NSCs 分化为 NPCs 时，SOX2 表达下降，导致 L1 转录激活。Kuwabara 等人也观察到这一现象，并在 L1 启动子中鉴定出 Sox2 和 T 细胞因子 / 淋巴增强因子（TCF/LEF）的重叠结合位点（Sox/LEF）。生物信息学分析发现人类、大鼠和小鼠基因组中分别有 79、84 和 25 个 L1 元件具有相同的 Sox/LEF 双结合位点，该位点对后续发现 Wnt 信号通路调节 L1 活性具有重要意义。除了 SOX2，Wnt 信号通路也调节 L1 活性。Wnt 蛋白通过作用于 Neurod1 启动子内的 SOX/LEF 位点启动神经发生，NeuroD1 是前脑发育必需的碱性螺旋 - 环 - 螺旋（bHLH）转录因子。在 NSC 增殖时，SOX2 和 HDAC1 结合在 Neurod1 启动子上抑制其转录；在 NSC 分化时，β - 连环蛋白激活并积累在细胞核中，与 TCF/LEF 形成激活复合物，促进 Neurod1 基因转录。值得注意的是，L1 启动子中也存在 SOX/LEF 位点，这表明 L1 和 Neurod1 可能受到类似调节：在 NSC 增殖时，SOX2 和 HDAC1 复合物抑制 L1 启动子中的 SOX/LEF 位点；在 NSC 分化时，Wnt 信号激活增加 L1 活性，同时上调 Neurod1。进一步研究发现，性别决定区 Y 框 11（Sox11）是神经元分化过程中 L1 活性的另一个关键调节因子。Sox11 属于 Sox 转录因子 C 组，参与胚胎发育中的神经发生和组织重塑，对神经元突起生长和神经元存活至关重要。先前研究在 L1 启动子中鉴定出两个 Sox11 结合位点，过表达外源 Sox11 可增加 L1 启动子活性。Orqueda 等人发现诱导人类 SH - SY5Y 神经母细胞瘤细胞分化为神经元过程中，L1 活性增加，同时 Sox11 蛋白与 L1 启动子结合增多，而敲低 Sox11 则抑制 L1 转录。这表明 Sox11 在神经元分化过程中表达增加，与 L1 的 5’ - UTR 结合并刺激其转录。鉴于人类神经母细胞瘤细胞和 NPCs 在干性方面的相似性，推测 Sox11 在 NPCs 向神经元分化中可能发挥类似作用，但这一假设需要实验验证。

L1 在成年神经发生中的作用

• L1 调节 NSCs 和 NPCs 的分化：如前所述，Wnt - β - 连环蛋白信号通路的下游分子在 NSCs 分化为 NPCs 过程中可激活 L1。Okamoto 等人发现衰老过程中 Wnt3 分泌减少，影响 L1 调节，导致成年神经发生受损，这表明 L1 可能促进 NSC 分化。过去认为 L1 促进 NSC 和 NPCs 分化，因为 L1 在 NSC 分裂时受到抑制，分化后保持激活状态。然而，近期研究对激活的 L1 在 NPCs 中的调节作用有了新认识。Toda 等人发现小鼠 NPCs 中 L1 下调会诱导早熟神经分化，这表明 L1 有助于维持 NPCs 并减缓其分化，说明 L1 表达在调节正常神经分化中起关键作用，确保人类大脑独特特征的形成。尽管在小鼠和大鼠 NPCs 中观察到有效的 L1 逆转录转座，且在分化的 NPCs 中发现大量 L1 转录本，但大多数这些 RNA 并未发生逆转录转座，这表明逆转录转座在 NPCs 分化中并非必需。L1 更可能在 cDNA、RNA 和局部转录等多个层面发挥作用，例如 L1 RNAs 可能通过与多梳抑制复合物 2（PRC2）相互作用调节 NPCs 分化，但 L1 逆转录转座的生理作用在很大程度上仍不清楚。

• L1 抑制神经元形态成熟：Toda 等人的研究发现，L1 缺陷的神经元总树突长度显著增加，树突复杂性更高，这表明 L1 可能抑制神经元形态成熟。多项研究在成熟神经元中鉴定出 L1 逆转录转座，工程化 L1 逆转录转座实验表明 L1 可在成熟神经元细胞中高效逆转录转座，这表明非分裂的神经元细胞可支持广泛的 L1 移动。此外，大多数体细胞 L1 插入发生在神经发生的后期阶段，这些研究表明神经元中 L1 逆转录转座与抑制神经元形态成熟之间可能存在潜在联系。

逆转录转座子对胚胎神经发育和神经发生的影响

神经发生过程在胚胎期和成年期基本一致，但在分子调控方面存在细微差异，例如成年 NPCs 与胚胎 NPCs 相比，在神经发生龛中静止时间更长，而胚胎 NPCs 增殖能力更强。目前对逆转录转座子在胚胎神经发生中的作用研究有限，研究胚胎神经发生面临诸多挑战，包括受伦理和技术限制难以获取研究对象、在体外维持胚胎神经细胞生理相关性困难以及缺乏直接追踪胚胎神经发育特定阶段逆转录转座子活性的研究方法。一些研究通过诱导胚胎来源的干细胞在体外进行，或通过谱系追踪间接研究胚胎神经发育过程中逆转录转座子的活性。近期脑类器官技术的发展为研究胚胎神经发生提供了便利。ERVs 已被证明影响胚胎发育，胚胎发育特定阶段 ERVs 的下调对确保正常发育进程至关重要。灵长类特异性 ERV 亚型 HERV - H 和 HERV - K 调节人类胚胎干细胞（hESCs）的多能性和神经分化，对维持神经定向所需的转录网络至关重要。

HERVs 在干细胞自我更新和神经分化过程中的激活与抑制

• HERV - K：HERV - K（HML - 2）的 Env 蛋白维持 ESCs 的多能性，抑制神经分化。Wang 等人报道 HML - 2 包膜蛋白在干细胞细胞膜上表达，通过与 CD98HC 相互作用维持干细胞干性。相反，HML - 2 env 表达下调或表观遗传沉默会导致干细胞集落解离，神经元分化增强。Vincendeau 等人证明 hESCs 中 HML - 2 的长时间激活会触发经典发育因子 NTRK3，对皮质神经元发育产生负面影响，进一步证明 HML - 2 的激活抑制多能干细胞向神经元的分化。值得注意的是，hESCs 中 HML - 2 的持续激活并未增加干细胞干性，这与 Wang 等人的研究结果不同，可能是由于实验方法差异（Vincendeau 等人使用 CRISPR 工程激活 HML - 2 表达，而 Wang 等人使用 siRNAs 下调 HML - 2 表达）。事实上，即使在神经元中轻微过量表达 HERV - K（HML - 2）Env 也会诱导肌萎缩侧索硬化（ALS）神经毒性。因此，精确调节 HML - 2 对维持健康生理状态至关重要。

• HERV - H：HERV - H RNA 促进 ESCs 自我更新，抑制神经分化。Takahashi 等人发现 NAT1/TUT7/HERV - H 轴在多能干细胞神经分化中起关键作用，NAT1 增强 TUT7 翻译，进而促进 HERV - H RNA 降解。Sun 等人发现 hESCs 中的 HERV - H RNA 被 m⁶A 广泛修饰，YTHDC2 特异性结合 LTR7/HERV - H 基因组位点，招募 DNA 5 - 甲基胞嘧啶（5mC）去甲基化酶 TET1，防止 HERV - H 表观遗传沉默。功能上，YTHDC2/LTR7 轴促进 hESCs 自我更新，抑制其神经分化。

如前所述，HERVs 在 NSC 增殖和分化过程中受到多种表观遗传修饰的严格调控。HERVs 异常表达可能导致神经发育肿瘤的发生，包括恶性外周神经鞘瘤（MPNST）、Merlin 阴性神经鞘瘤、脑膜瘤和非典型畸胎样 / 横纹肌样肿瘤（AT/RT）。虽然这些肿瘤可能并非直接由胚胎发育过程中的异常神经发生引起，但为进一步了解 HERVs 的表观遗传失调及其在胚胎神经发生中的作用提供了方向。Shah 等人发现胶质母细胞瘤细胞中 HERV - K 转录本 HML - 2 和 HML - 6 水平升高，HML - 6 表达增加与患者预后不良相关，HML - 2 高水平支持胶质母细胞瘤干细胞龛，维持胶质母细胞瘤干性和肿瘤发生，激活 NPC 来源的星形胶质细胞中的 ESC 程序，通过激活核转录因子 OCT4 改变其 3D 细胞形态，这表明 HERVs 可能参与胚胎神经发生。

胚胎神经发生中活跃的 L1 抑制 NPCs 早熟分化

在人类大脑不同区域和不同年龄段，包括皮层、脊髓、腹侧中脑、中脑和后脑，都检测到了几种 L1 融合转录本。Evrony 等人通过全基因组测序在 16 个神经元中检测到两个体细胞 L1 插入，谱系追踪显示其中一个事件发生在发育中的皮层，其他可能发生在中枢神经系统发育早期甚至更早，这与小鼠中的胚胎事件相符。Garza 等人通过多组学分析证明了 L1 启动子在人类大脑发育过程中的动态活性。LINC01876 是一种 L1 来源的人类特异性长链非编码 RNA，仅在大脑发育过程中表达。通过 CRISPR 干扰沉默 LINC01876 会导致脑类器官体积减小和神经祖细胞早熟分化。抑制人类前脑类器官中 L1 表达会导致 NPCs 早熟分化。类似地，一些研究也发现 L1 在 NPCs 分化中起调节作用。SIRT6 是一种参与基因组稳定性调节的去乙酰化酶，在小鼠大脑中抑制 L1 活性。小鼠胚胎发育阶段大脑 NPCs 中 SIRT6 缺乏会导致 NPCs 过度增殖，分化延迟。因此，胚胎发育阶段大脑中 SIRT6 缺乏可能导致 L1 去抑制，从而延迟 NPCs 分化。这些发现表明 L1 在保护 NPCs 免受早熟分化方面具有生理作用。越来越多的证据支持人类特异性特征源于幼态持续的假设，即人类神经发育比其他非人灵长类动物更慢。由于 NPC<