移动的小段DNA序列是从病毒遗留下来的，也称作转座子或跳跃基因，因为它们能够在基因组范围内移动而给有机体遗传完整性和稳定性造成一种巨大的危险。这些转座因子曾经被认为是基因寄生序列，据信占据着差不多50%的人基因组。因为转座子能够对有机体DNA造成伤害，有机体进化出一种类免疫反应(immune-like response)关闭或沉默这些移动性遗传成份(mobile genetic element)。
美国马萨诸塞大学医学院William E. Theurkauf和Zhiping Weng实验室的研究人员在《细胞》期刊上发表一项新研究给基因组如何保护自己免受这些入侵的DNA寄生序列的破坏提供新启示。
尽管众所周知称作Piwi相互作用RNA(Piwi-interacting RNAs, piRNAs)的特异性小RNA负责沉默转座子，但是这种生物学上关键性系统如何对引入的新转座子作出反应仍没有充分理解。William E. Theurkauf说，“基因组散落着这些转座子。在果蝇中，有120多种不同形式的转座子。我们正在研究宿主-病原体反应中这些活性病原体。与此同时，piRNAs是从基因组中含有这些转座子部分序列的DNA区域产生的，也是沉默这些移动性遗传因子的基础。”
为了理解基因组如何对引入的新转座子作出反应，Theurkauf 和同事们寻求野生果蝇的帮助。不同于标准的实验室培育的果蝇，野生果蝇含有一个称作P因子(P element)的转座子，它是20世纪早期科学家开始培育果蝇研究基因遗传性时发现的。因此，实验室培育的果蝇缺乏P因子转座子和从母本遗传的用来沉默这种转座子所必需的piRNA。当这些实验室培育的雌性果蝇与携带P因子的野生果蝇杂交时，产生的后代不能沉默这种侵入的转座子，因而不能生育。
Theurkauf实验室博士生Jaspreet Khurana进行密切观察，发现当这些果蝇长大时，杂交果蝇获得可育性。Theurkauf说，“基于观察到这些果蝇恢复生育功能，这似乎是它们可能学会如何关闭转座子。我们决定利用这种系统来研究对新转座因子的适应过程。”
利用包括下一代测序技术的跨学科方法，Theurkauf和同事们能够不育的杂交果蝇在不同发育阶段的完整基因序列。Zhiping Weng实验室博士后Jie Wang分析这些基因信息以便观察基因组如何对引入的新转座子作出反应。研究结果让他们大吃一惊。在杂交的果蝇后代中，新转座子引发破坏全部piRNA机制的反应。不仅是新引入的转座子在基因组中跳跃从而导致问题产生，而且果蝇120多种转座子中大多数也变得活跃起来。Theurkauf说，“基因组的这种大规模不稳定性很可能是它们不育的原因。”
然而，当杂交果蝇长大时，这种新转座子和所有已存在的固有转座子(resident transposon)被关闭，于是它们又恢复了可育性。Weng说，“我们发现存在两种机制负责沉默转座子。对P因子而言，结果是果蝇学会加工从父本遗传的piRNAs转录本并将它们变成成熟的piRNAs从而沉默这种转座子。相反，固有转座子跳跃到piRNA基因簇，改变这些基因簇结构，从而产生新的piRNAs以便能够沉默固有转座因子。”
Theurkauf说，“我们研究的关键成果是当引入单个新转座子时，在这些杂交果蝇中，它将导致激活基因组中所有转座子和破坏可育性的遗传危机。引人注目的是，另一方面，改变的基因组结构功能性地再恢复piRNA基因簇，这样它们更加有效地沉默转座子。” (生物谷：towersimper编译)
doi:10.1016/j.cell.2011.11.042
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PMID:
Adaptation to P Element Transposon Invasion in Drosophila melanogaster
Jaspreet S. Khurana, Jie Wang, Jia Xu, Birgit S. Koppetsch, Travis C. Thomson, Anetta Nowosielska, Chengjian Li, Phillip D. Zamore, Zhiping Weng, William E. Theurkauf
Transposons evolve rapidly and can mobilize and trigger genetic instability. Piwi-interacting RNAs (piRNAs) silence these genome pathogens, but it is unclear how the piRNA pathway adapts to invasion of new transposons. In Drosophila, piRNAs are encoded by heterochromatic clusters and maternally deposited in the embryo. Paternally inherited P element transposons thus escape silencing and trigger a hybrid sterility syndrome termed P-M hybrid dysgenesis. We show that P-M hybrid dysgenesis activates both P elements and resident transposons and disrupts the piRNA biogenesis machinery. As dysgenic hybrids age, however, fertility is restored, P elements are silenced, and P element piRNAs are produced de novo. In addition, the piRNA biogenesis machinery assembles, and resident elements are silenced. Significantly, resident transposons insert into piRNA clusters, and these new insertions are transmitted to progeny, produce novel piRNAs, and are associated with reduced transposition. P element invasion thus triggers heritable changes in genome structure that appear to enhance transposon silencing.
