轉(zhuǎn)座子是基因組中可移動(dòng)的元件，廣泛存在于真核生物中，在某些后生動(dòng)物基因組中，可以占整個(gè)基因組的85%。最近在NAR上的一篇關(guān)于南極磷蝦基因組的研究顯示，這么小的生物的基因組竟高達(dá)48GB，而其中78%都是轉(zhuǎn)座子序列（以DNA轉(zhuǎn)座子為主）。

轉(zhuǎn)座子的移動(dòng)可以導(dǎo)致基因變異，比如轉(zhuǎn)座插入發(fā)生在基因或者其調(diào)節(jié)序列中，往往對(duì)宿主有害，導(dǎo)致宿主繁育障礙或者腫瘤的發(fā)生。

一般將轉(zhuǎn)座子分類兩大類，一類是RNA轉(zhuǎn)座子，依賴copy-and-paste機(jī)制實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)座。根據(jù)具體轉(zhuǎn)座方式的不同，又可以分為LTR和non-LTR。

• LTR：該類轉(zhuǎn)座子的轉(zhuǎn)座過程比較復(fù)雜。能夠自主轉(zhuǎn)座的LTR通常還有gag和pol兩個(gè)基因。其中pol編碼了逆轉(zhuǎn)錄酶， RNaseH和整合酶等。與逆轉(zhuǎn)錄不同的是，大多數(shù)LTR通常不含有env基因，不編碼細(xì)胞膜識(shí)別的蛋白，一般只在細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)座。包括copia，gypsy和BEL/Pao等。其兩端的LTR序列能夠控制轉(zhuǎn)座子轉(zhuǎn)錄，5’端的LTR包含了啟動(dòng)子，增強(qiáng)子等調(diào)控序列，以及轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)TSS；3'端的LTR序列包含了轉(zhuǎn)錄終止位點(diǎn)。只看兩端的LTR序列，不同類型來源的LTR序列也存在比較大的差異。

• non-LTR：轉(zhuǎn)座子轉(zhuǎn)錄的mRNA的3'端和宿主DNA的特定位點(diǎn)結(jié)合，然后在逆轉(zhuǎn)錄酶的作用下，形成轉(zhuǎn)座子DNA，并整合到宿主DNA中。整個(gè)過程簡(jiǎn)單直接，包括了LINE，SINE和PLE等。但是逆轉(zhuǎn)錄過程有時(shí)候會(huì)提早終止，無法將完整的mRNA逆轉(zhuǎn)錄，進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致non-LTR轉(zhuǎn)座序列的5'端殘缺；而該類轉(zhuǎn)座子的轉(zhuǎn)錄又需要完整的5'端，進(jìn)而導(dǎo)致了很多non-LTR轉(zhuǎn)座子無法進(jìn)一步增殖，形成了死序列，比如人類基因組中的LINE1。

逆轉(zhuǎn)錄病毒目前只發(fā)現(xiàn)于脊椎動(dòng)物中。其失去自主轉(zhuǎn)座能力，內(nèi)源化，形成內(nèi)源化逆轉(zhuǎn)錄病毒EVR。

但是LTR和EVR之間的區(qū)別不是特別明顯，或者說定義比較含糊。LTR缺少胞外階段，不會(huì)形成病毒顆粒釋放到細(xì)胞外；LTR進(jìn)化起源更為久遠(yuǎn)，不僅分布在脊椎動(dòng)物中，在真菌、昆蟲、植物、單細(xì)胞生物等中也存在。

下圖表示了病毒和轉(zhuǎn)座子的進(jìn)化對(duì)應(yīng)關(guān)系以及分類。

關(guān)于病毒的分類不是本文的重點(diǎn)。但是還是有必要了解一些，這對(duì)我們認(rèn)識(shí)轉(zhuǎn)座子的分類也有幫助。這兒我們主要關(guān)注Ortervirales 目病毒的分類，該病毒目中的病毒含有逆轉(zhuǎn)錄酶（并不是只有逆轉(zhuǎn)錄病毒才含有逆轉(zhuǎn)錄酶）。該目病毒下，分為5個(gè)家族：

• Family [Metaviridae] – [LTR retrotransposon], Ty3/gypsy family
• Family [Retroviridae] – Retroviruses, e.g. [HIV]
• Family [Pseudoviridae] – [LTR retrotransposon], Ty1/copia family
• Family [Belpaoviridae] – [LTR retrotransposon], Bel/Pao family
• Family [Caulimoviridae] – dsDNA-RT viruses infecting plants

LTR轉(zhuǎn)座子被劃分到該目病毒下了。

此外，RNA轉(zhuǎn)座子還包括了含有酪氨酸酶的DIRS。

第二類轉(zhuǎn)座子是DNA轉(zhuǎn)座子，主要通過cut-and-paste實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)座。最常見的是通過DDE整合酶完成轉(zhuǎn)座的DDE類轉(zhuǎn)座子。此外，還有幾種特殊的DNA轉(zhuǎn)座子，比如依賴YR（酪氨酸重組酶）的Cryptons；依賴rolling-circle的Helitrons；以及Mavericks (或叫Polintons).

DDE和Cryptons類轉(zhuǎn)座子結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，只編碼一個(gè)重組酶（IN或YR）和兩端的短末端倒置序列TIRs。這種cut-and-paste看似無法實(shí)現(xiàn)自身的擴(kuò)增，只是換了一個(gè)地方。但是，它可以利用宿主DNA復(fù)制的過程，從以完成復(fù)制的區(qū)域轉(zhuǎn)座到未完成復(fù)制的區(qū)域，以此實(shí)現(xiàn)擴(kuò)增。此外，剪切留下的末端可以通過同源重組的進(jìn)行修復(fù)，也能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)座子的擴(kuò)增。在轉(zhuǎn)座過程中，很多序列變得不完整，丟失掉了序列中間的ORF，無法編碼重組酶，形成了非自主轉(zhuǎn)座的DNA轉(zhuǎn)座子MITEs （它依舊保留了TIRs序列）。雖然，它們無法自主轉(zhuǎn)座，但是可以利用其他自主轉(zhuǎn)座子，協(xié)助自己完成轉(zhuǎn)座，所以MITEs廣泛大量存在。

Helitrons轉(zhuǎn)座子通過peel-and-paste實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)座，相關(guān)研究還比較少。

Mavericks轉(zhuǎn)座子特別長(zhǎng)（15-20Kb）,編碼很多蛋白，兩端也含有很長(zhǎng)的TIRs，類似于DNA病毒，通過直接DNA拷貝實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)座擴(kuò)增。

關(guān)于轉(zhuǎn)座子插入位點(diǎn)的選擇性，受到很多因素的影響。

• 進(jìn)入細(xì)胞核的方式：很多RNA逆轉(zhuǎn)座子（L1, LTR 以及HIV）的整合插入不需要等細(xì)胞的分裂，而可以直接通過核孔進(jìn)入細(xì)胞核內(nèi)。Gag蛋白和整合酶具有親核屬性，同時(shí)也影響了插入位點(diǎn)的選擇性。宿主基因組靠近核孔的常染色質(zhì)序列可能成為插入的首選區(qū)域（比如HIV）。

• 染色質(zhì)的狀態(tài)：有些TE家族喜歡插入到開放染色質(zhì)區(qū)域，Tf1和Ty5喜歡DNase-I敏感的無核小體區(qū)域。而Ty1和一些逆轉(zhuǎn)錄病毒則選擇性插入核小體區(qū)域的DNA序列中。

• 特定的DNA序列模式：例如人類L1轉(zhuǎn)座子傾向于富含AT的區(qū)域。

在果蠅和一些雙翅目昆蟲中，染色體末端的端粒酶在進(jìn)化過程中丟失了，但是它們可以通過non-LTR逆轉(zhuǎn)座子來保持染色體端粒的穩(wěn)定性。

果蠅和線蟲等生物可以通過piRNA干擾來抑制轉(zhuǎn)座子，而這些piRNA的來源多是一些聚集在tDNA序列附近的（因突變）失活轉(zhuǎn)座子或者殘存序列。

環(huán)境的變化能激活轉(zhuǎn)座子。比如酵母中的Tf1, Ty1, Ty5（LTR）轉(zhuǎn)座子。

轉(zhuǎn)座子導(dǎo)致的表型變異并不罕見。根據(jù)本人的研究，在果蠅生殖系細(xì)胞中，轉(zhuǎn)座子的插入率甚至要高于點(diǎn)突變率，很多轉(zhuǎn)座子處于活躍狀態(tài)。還有研究發(fā)現(xiàn)，黑腹果蠅和其近親擬果蠅，在很多同源位點(diǎn)并沒有出現(xiàn)相同的TE序列，這說明轉(zhuǎn)座子是在各個(gè)物種中近期獨(dú)立發(fā)生的；還有研究顯示有超過一半的實(shí)驗(yàn)室果蠅表型突變是由轉(zhuǎn)座子造成的。在小鼠中，LTR轉(zhuǎn)座子的活動(dòng)也造成了其表型10%-15%的變異。

TE轉(zhuǎn)座的影響不僅局限于一些表型的變化，其還能在更大程度影響整個(gè)基因組的結(jié)構(gòu)和基因組進(jìn)化。首先，轉(zhuǎn)座序列的造成插入和缺失，是影響真核生物基因組大小的一個(gè)重要因素。其次，轉(zhuǎn)座的插入和缺失也并非是一個(gè)十分精確的過程，可能會(huì)攜帶一些宿主基因組的序列，比如大米基因組中的DNA轉(zhuǎn)座子MULE。此外，轉(zhuǎn)座子形成的大量重復(fù)序列是影響染色體交叉互換的一個(gè)因素，能夠形成染色體的異位重組，進(jìn)而 造成染色體的大范圍的刪除、重復(fù)或者倒位。

各個(gè)群體、個(gè)體之間轉(zhuǎn)座子也存在較大差異，也就是說，我們的參考基因組中關(guān)于轉(zhuǎn)座子的部分可能是不完全的，很多轉(zhuǎn)座子可能沒有被包含在參考基因組中。

轉(zhuǎn)座的發(fā)生對(duì)宿主來說總體上是有害的，作為一個(gè)聰明的轉(zhuǎn)座子，就應(yīng)該學(xué)會(huì)如何保護(hù)自己，既能最大程度上擴(kuò)增自己，又不會(huì)導(dǎo)致宿主對(duì)自己的過度防御。所以，很多轉(zhuǎn)座子進(jìn)化出了自我調(diào)控的機(jī)制。

對(duì)于轉(zhuǎn)座子來說，宿主生殖系細(xì)胞形成過程中，基因組大量的去甲基化是一個(gè)很好的擴(kuò)增窗口。甲基化水平的降低有利于轉(zhuǎn)座。在人體腫瘤細(xì)胞中，甲基化水平的降低（以及微小RNA水平的降低）也伴隨著轉(zhuǎn)座子的活躍，比如L1轉(zhuǎn)座子。從進(jìn)化的角度來說，在宿主生殖系細(xì)胞的轉(zhuǎn)座對(duì)轉(zhuǎn)座子更有進(jìn)化意義。為此，很多轉(zhuǎn)座子在宿主的體細(xì)胞和生殖細(xì)胞中表現(xiàn)出了不同的轉(zhuǎn)座策略，比如果蠅中的P轉(zhuǎn)座子，以最大可能的實(shí)現(xiàn)自身的擴(kuò)增和避免宿主的防御。

當(dāng)然宿主也有一些應(yīng)對(duì)策略，比如在生殖細(xì)胞的伴隨細(xì)胞中降低對(duì)轉(zhuǎn)座子的抑制，在這些伴隨細(xì)胞中，雖然發(fā)生了轉(zhuǎn)座，但是不會(huì)遺傳；而且這些細(xì)胞中TE誘發(fā)的sRNA還能夠轉(zhuǎn)運(yùn)到生殖細(xì)胞中，在生殖細(xì)胞中起到抑制轉(zhuǎn)座的作用。比如果蠅中I-element轉(zhuǎn)座子。

當(dāng)然，轉(zhuǎn)座子對(duì)于宿主來說并非全是害處。宿主序列中的轉(zhuǎn)座子能夠?yàn)樾禄蚧蛘叻蔷幋aRNA的形成提供原始材料。比如脊椎動(dòng)物中，和T、B細(xì)胞免疫相關(guān)的Rag1和Rag2基因，就是來源于5億年前的DNA轉(zhuǎn)座子。再如，某些神經(jīng)突出可塑性相關(guān)的Arc基因，是來源于LTR逆轉(zhuǎn)座子序列。在人類中，至少有47個(gè)基因是來源于轉(zhuǎn)座子的。而轉(zhuǎn)座子（內(nèi)源性病毒）來源的IncRNA對(duì)人類胚胎早期全能細(xì)胞的發(fā)育有重要的調(diào)節(jié)作用。很多轉(zhuǎn)座子為宿主貢獻(xiàn)了大量的轉(zhuǎn)錄結(jié)合位點(diǎn)。

很多馴化的性狀也和轉(zhuǎn)座子有關(guān)，比如玉米中的逆轉(zhuǎn)座子Hopscotch提高了teosinte branched1基因的表達(dá)，進(jìn)而提升了頂端優(yōu)勢(shì)；橘子中的copia樣逆轉(zhuǎn)座子的調(diào)控作用有利于抗寒。此外，著名的英國(guó)蛾子體色的變化也和轉(zhuǎn)座子的插入有關(guān)。

另外， 恰巧這兩天在網(wǎng)上看到一個(gè)有意思的視頻，題目是“【胎盤病毒論】胎盤竟是另一生物??？細(xì)思極恐的人類胎盤！”。其實(shí)這只不過是人類馴化利用轉(zhuǎn)座子的一個(gè)例子而已，遠(yuǎn)沒有題目說的那么驚悚。哺乳動(dòng)物中有源于逆轉(zhuǎn)錄病毒env基因的序列，即syncytins基因，它能夠促進(jìn)細(xì)胞融合以及胎盤滋養(yǎng)層的形成，對(duì)哺乳動(dòng)物的進(jìn)化有重要意義。不同支系的哺乳動(dòng)物的syncytins基因是不同源的，獨(dú)立趨同進(jìn)化而來。

轉(zhuǎn)座子的水平轉(zhuǎn)移。一般而言，DDE類的DNA轉(zhuǎn)座子的水平轉(zhuǎn)移更容易一些，而non-LTR的水平轉(zhuǎn)移比較少見?！緸槭裁词荄NA轉(zhuǎn)座子更容易水平轉(zhuǎn)移？？不應(yīng)該是LTR或者逆轉(zhuǎn)錄病毒更容易嗎？】

一個(gè)可能的解釋是，DDE類的DNA轉(zhuǎn)座子的轉(zhuǎn)座機(jī)制比較簡(jiǎn)單，不太依賴特定宿主的某些因子，也就是說它們就有廣譜適應(yīng)性，在各種不同的宿主中都能完成轉(zhuǎn)座，因而更容易形成水平轉(zhuǎn)移。比如TC1/mariner轉(zhuǎn)座子。另外，相對(duì)于non-LTR轉(zhuǎn)座過程中形成核糖核蛋白復(fù)合體，DNA轉(zhuǎn)座子轉(zhuǎn)座過程中形成的環(huán)狀DNA結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。當(dāng)然，LTR轉(zhuǎn)座子形成病毒類似的結(jié)構(gòu)也可能有利于水平轉(zhuǎn)移。

至于這些轉(zhuǎn)座子是怎么完成水平轉(zhuǎn)移的，還比較有爭(zhēng)議?？赡苄枰恍┲虚g媒介，比如果蠅的P轉(zhuǎn)座子的水平轉(zhuǎn)移可能是依賴于寄生在果蠅中的螨蟲。還有一些轉(zhuǎn)座子的水平轉(zhuǎn)移可能依賴于病毒，某些病毒（比如孢疹病毒、桿狀病毒）需要在細(xì)胞核內(nèi)完成病毒周期，那么局限在細(xì)胞核內(nèi)的DNA轉(zhuǎn)座子可能更容易使用這些病毒做載體，完成水平轉(zhuǎn)移。病毒是轉(zhuǎn)座子水平轉(zhuǎn)移的重要載體之一。

有一種假說，認(rèn)為病毒是起源于轉(zhuǎn)座子的。比如，在原核生物相關(guān)的病毒中，DNA病毒占了很大一部分，而相應(yīng)的原核生物的轉(zhuǎn)座子也是以DNA轉(zhuǎn)座子較為常見。在某些逆轉(zhuǎn)座子較多的真核生物中，相對(duì)應(yīng)的RNA病毒也比較常見。也就是DNA病毒起源于DNA轉(zhuǎn)座子，RNA病毒起源于逆轉(zhuǎn)座子。這些轉(zhuǎn)座子在進(jìn)化過程中，由于突變丟失了向宿主基因組整合的能力，但獲得了在細(xì)胞或者生物間的侵染能力，進(jìn)而形成了病毒。有些時(shí)候，轉(zhuǎn)座子和病毒的界限很難明確區(qū)分，甚至可以相互轉(zhuǎn)換，比如Maverick。

轉(zhuǎn)座子的序列含有表達(dá)調(diào)控位點(diǎn)，比如LTR和ENV轉(zhuǎn)座子的LTR序列中有Pol-II結(jié)合位點(diǎn)，所以，即便整個(gè)TE不完整，只要含有LTR序列，就能夠調(diào)控表達(dá)。LINE的5'端也含有Pol-II結(jié)合位點(diǎn)，不過LINE的5'端常常截?cái)鄟G失。SINE序列中含有Pol-III結(jié)合位點(diǎn)。DNA轉(zhuǎn)座子的TIR序列也能能夠結(jié)合Pol-II，即便轉(zhuǎn)座子丟失中間編碼序列，形成MITEs，也依舊含有TIR序列，能夠調(diào)控表達(dá)。