在第十八期，我們向大家介紹過轉位子（transposable elements）的概念及其發現者Barbara McClintock。也許你會認為DNA能在基因組內跳來跳去，並插入其他位置是一件很瘋狂的事。然而，轉位子還有更多奇特的地方。本文將告訴你一些有關轉位子最有趣的事情，以及它們除了跳躍外的實質功用。

分類及起源

轉位子可根據其插入機制分為兩種類型。I型轉位子又名反轉錄轉位子（retrotransposons），它們通過「複製後貼上（copy-and-paste）」的機制在基因組內跳來跳去。這些反轉錄轉位子首先會被轉錄成RNA，然後反轉錄成 DNA。過程中複製出一段與原來反轉錄轉位子相同的 DNA，新合成的 DNA複本會插入基因組中。II型轉位子則通過「剪下後貼上（cut-and-paste）」的機制把自己重新插入至基因組。II型轉位子會從原來位置被切出，在轉位酶（transposase）協助下重新插入基因組另一個位置。所有轉位子加起來佔人類基因組約 50% [1]，儘管在演化過程中大多數轉位子都已經失去跳躍能力。

如果你熟悉病毒感染的機制，你可能會發現它們頗為相似。的確，反轉錄轉位子和反轉錄病毒有著許多相似之處，例如它們能將由反轉錄合成而來的 DNA 插入宿主基因組。事實上，內源性反轉錄病毒（endogenous retrovirus (ERV)；它不是一種反轉錄病毒，而是我們基因組中的病毒 DNA）是其中一種反轉錄轉位子，它是數百萬年前病毒多次感染生殖細胞後遺留下來的DNA。病毒基因組就此進入了我們祖先的基因組內，並遺傳至後世。內源性反轉錄病毒約佔人類基因組的 7-8% [2]。總而言之，人類的基因組中充斥著病毒的DNA。（但請注意，並不是所有反轉錄轉位子都證實來自病毒。）

調控及適應

人類基因組中存在病毒基因和DNA能跳來跳去這兩個事實大概會使不少人感到震驚，而這樣也可能會為我們帶來危險。如果宿主沒有發展出抑制病毒 DNA 轉位和轉錄的機制，宿主就有發生基因突變和再次感染的風險。轉位子貿然插入基因組內已知有用的序列，或病毒蛋白得以表達都可能對宿主有害。可幸的是，我們身體有多種抑制轉位子的機制，以確保我們的安全。基因表達很大程度上取決於DNA的開放程度（accessibility），如果一段 DNA 的是開放的，轉錄所需的工具，例如 RNA 聚合酶，便可以與該段DNA結合並開始轉錄以表達基因。可是當DNA 凝縮時，這些工具就不能結合到DNA上，該處DNA的表達便會受到抑制（註一）。表觀遺傳修飾（epigenetic modifications）是其中一個抑制轉位子的途徑，原理是改變DNA的開放程度 [1]。這些機制出現故障時可能會引發疾病，轉位子失調被證實會導致神經元死亡 [3]、血友病 [4] 和癌症。

由於大多數轉位子都被抑制和被認為對宿主有害，在以往一段很長的時間裡，它們被稱為「垃圾DNA」，因為它們似乎只是寄生在基因組而沒有任何功能。然而，近年一些轉位子被發現已適應並融入了宿主基因組，並執行著一些有用的功能。一些轉位子成為了轉錄因子（transcription factor）與DNA的結合位置，從而影響附近基因轉錄的效率（註二）。一項針對人類和小鼠細胞的研究發現，對於所檢視的 26 個轉錄因子，大約 20% 轉錄因子的結合位置都位於轉位子中 [5]，轉位子進入基因組因此可能為細胞提供了前所未見的新方法來更細緻地控制基因表達。

從一個未被接受的發現到現代遺傳學中最重要的概念之一，轉位子徹底改變了我們對基因組和演化的理解。隨著物種適應外在環境，我們經常觀察到它們發展出一些可見的新性狀（或特徵），但轉位子告訴我們，基因組其實也一直在細胞深處默默地演化。

1 編按：介紹一下文憑試課程外的知識：表現型並不只是由基因序列或等位基因決定。這是生物學中的一個稱為「表觀遺傳學（epigenetics）」的領域，研究表現型如何在不改變DNA 序列下被改變。

2 轉錄因子：它是一種與DNA 結合的蛋白質，能與特定 DNA 序列結合以促進或抑制轉錄。例如，你將在大學本科課程中學到，真核生物需要通用轉錄因子（general transcription factors/GTFs）幫助RNA 聚合酶找出轉錄的起點，才能開始轉錄。它需要先與DNA結合，然後RNA 聚合酶才能到達。轉錄因子還能控制基因表達的位置和時機。

參考資料：

[1] L. Pray, “Transposons: The Jumping Genes,” Nature Education, vol. 1, no. 1, pp. 204, 2008, https://www.nature.com/scitable/topicpage/transposons-the-jumping-genes-518/.

[2] P. Jern and J. M. Coffin, “Effects of Retroviruses on Host Genome Function,” Annual Review of Genetics, vol. 42, 2008, pp. 709–732.

[3] W. Sun, H. Samimi, M. Gamez, H. Zare, and B. Frost, “Pathogenic tau-induced piRNA depletion promotes neuronal death through transposable element dysregulation in neurodegenerative tauopathies,” Nature Neuroscience, vol. 21, no. 8, Aug. 2018, pp. 1038–1048.

[4] H. H. Kazazian Jr, C. Wong, H. Youssoufian, A. F. Scott, D. G. Phillips, and S. E. Antonarakis, “Haemophilia A resulting from de novo insertion of L1 sequences represents a novel mechanism for mutation in man,” Nature, vol. 332, no. 6160, 1988, pp. 164–166.

[5] V. Sundaram, et al., “Widespread contribution of transposable elements to the innovation of gene regulatory networks,” Genome Research, vol. 24, no. 12, Dec. 2014, pp. 1963–1976.