Retrotransposon là gì? Các nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa retrotransposon

Retrotransposon là thành phần di truyền di động trong bộ gen eukaryote, sao chép qua trung gian RNA rồi phiên mã ngược thành DNA để chèn vào vị trí mới. Khác với DNA transposon “cut-and-paste”, retrotransposon nhân bản bản sao mới mà không di chuyển bản gốc, dẫn đến tăng kích thước bộ gen theo thời gian.

Quá trình hoạt động của retrotransposon bao gồm hai bước then chốt: phiên mã RNA bởi RNA polymerase II hoặc III, sau đó phiên mã ngược (reverse transcription) nhờ enzyme reverse transcriptase. cDNA thu được được tích hợp ngẫu nhiên hoặc định hướng vào bộ gen chủ, tạo ra đột biến chèn (insertional mutagenesis).

Retrotransposon chiếm tỷ lệ đáng kể trong một số bộ gen: khoảng 8–10 % ở ruồi giấm, 30–40 % ở người và lên đến 70 % ở ngô. Chúng đóng vai trò quan trọng trong tiến hóa bộ gen, tái tổ hợp, điều hòa biểu hiện gen và hình thành các yếu tố điều hòa mới.

Phân loại retrotransposon

Retrotransposon được chia thành hai nhóm chính dựa trên cấu trúc và cơ chế vận chuyển:

• LTR (Long Terminal Repeat) retrotransposon: chứa hai vùng LTR ở đầu 5’ và 3’ đóng vai trò promoter và terminator, bao gồm họ Ty1/Copia và Ty3/Gypsy.
• Non-LTR retrotransposon: không có LTR, gồm LINE (Long Interspersed Nuclear Elements) có khả năng tự phiên mã ngược và SINE (Short Interspersed Nuclear Elements) phụ thuộc LINE để di chuyển.

Trong nhóm non-LTR, LINE-1 (L1) là đại diện phổ biến nhất ở người, chiếm ~17 % bộ gen và chứa hai open reading frame (ORF1, ORF2). SINE như Alu (~1 M bản sao) sử dụng ORF của LINE để phiên mã ngược và chèn cDNA.

Số lượng và độ dài trung bình khác nhau giữa các loài: LTR thường dài vài kilobase, LINE dài ~6 kb, SINE ngắn ~100–300 bp. Thông tin chi tiết có thể tra cứu qua cơ sở dữ liệu Dfam: dfam.org.

Cấu trúc phân tử

Cấu trúc điển hình của LTR retrotransposon bao gồm: $5’\,LTR\;–\;gag\;–\;pol\;–\;3’\,LTR$, trong đó gag mã hóa protein tạo vỏ hạt và pol chứa reverse transcriptase, integrase, RNase H.

LINE-1 có cấu trúc: $5’\,UTR\;–\;ORF1\;–\;ORF2\;–\;3’\,UTR\;–\;poly(A)$. ORF1 mã hóa protein liên kết RNA, ORF2 chứa reverse transcriptase và endonuclease, UTR chứa promoter nội tại.

Loại	Độ dài	Thành phần chính
LTR	5–10 kb	2 LTR, gag, pol
LINE	~6 kb	5’UTR, ORF1, ORF2, 3’UTR, poly(A)
SINE	100–300 bp	Pol III promoter, trình tự phụ thuộc LINE

SINE không mã hóa protein nhưng chứa trình tự tín hiệu RNA polymerase III, cho phép phiên mã mạnh mẽ và tận dụng enzyme của LINE để phiên mã ngược.

Cơ chế transposition

Cơ chế “copy-and-paste” của retrotransposon gồm ba bước chính: phiên mã RNA, phiên mã ngược thành cDNA, và tích hợp cDNA vào bộ gen. Reverse transcriptase và integrase là các enzyme thiết yếu cho quá trình này.

1. Phiên mã RNA: promoter nội tại (LTR hoặc UTR) tạo ra bản sao RNA dài đầy đủ.
2. Phiên mã ngược: reverse transcriptase từ pol (LTR) hoặc ORF2 (LINE) tổng hợp cDNA hai mảnh hoặc liên tục.
3. Tích hợp: integrase (LTR) hoặc endonuclease (LINE) cắt đứt vị trí chèn, chèn cDNA vào chuỗi DNA chủ.

Sự lựa chọn vị trí chèn có thể ngẫu nhiên hoặc ưu tiên vùng giàu AT (LINE) hoặc yếu tố điều hòa (LTR), dẫn đến chất biến dị cao và khả năng tạo enhancer mới trong bộ gen.

Vai trò trong tiến hóa và cấu trúc bộ gen

Retrotransposon đóng góp tới sự mở rộng và tái cấu trúc bộ gen bằng cách chèn bản sao mới vào các vị trí khác nhau, tạo ra biến dị chèn (insertional polymorphism) và tái tổ hợp bất đối xứng. Các sự kiện chèn lặp lại dẫn tới gia tăng kích thước intron, thay đổi khoảng cách giữa các exon và có thể tạo ra exon mới qua quá trình exonization.

Các LTR retrotransposon đôi khi cung cấp yếu tố điều hòa (enhancer, promoter) cho gen lân cận khi LTR chứa trình tự nhận biết yếu tố phiên mã. Tương tự, SINE như Alu ở người có thể đóng góp vào vùng điều hòa 3’ UTR, ảnh hưởng đến ổn định và dịch mã mRNA.

Phân tích so sánh bộ gen cho thấy retrotransposon chiếm tới 40% bộ gen người, 30% ở chuột và hơn 50% ở cây ngô. Tỷ lệ này thay đổi theo loài, phản ánh lịch sử bùng nổ hoạt động của các nhóm retrotransposon khác nhau .

Phương pháp phát hiện và phân tích

Phân tích toàn bộ bộ gen (genome-wide) thường dùng công cụ RepeatMasker dựa trên thư viện Dfam để nhận diện các vùng tương đồng với retrotransposon đã biết. Ensembl TE-annotator tích hợp trong Ensembl cung cấp anot chi tiết với phân loại LINE, SINE và LTR .

Phát hiện hoạt động đương thời có thể dùng RNA-seq để xác định bản sao RNA của retrotransposon, kết hợp với Cap Analysis of Gene Expression (CAGE) để xác định điểm khởi đầu phiên mã LTR. Điều này cho phép phân tích biểu hiện retrotransposon theo mô hình mô và tế bào.

Phương pháp PCR định hướng vị trí chèn (Insertion Site PCR) kết hợp sequencing mối đứt gãy DNA (DNA break mapping) giúp xác định các vị trí chèn mới trong các mẫu ung thư hoặc quần thể sinh học. Single-molecule long-read sequencing (PacBio, Oxford Nanopore) cho phép quét toàn bộ vị trí chèn và trích xuất cấu trúc hoàn chỉnh của retrotransposon.

Điều hòa hoạt động retrotransposon

Tế bào eukaryote phát triển nhiều cơ chế ngăn chặn hoạt động của retrotransposon để duy trì tính toàn vẹn bộ gen. Các con đường siRNA và piRNA trong tế bào mầm tạo ra phức hợp RISC để cắt mRNA của retrotransposon, ngăn chặn phiên mã ngược.

DNA methylation tại CpG islands trong vùng LTR hoặc promoter của LINE-1 duy trì ở mức cao khiến promoter nội tại bất hoạt. Histone modification như H3K9me3 và H3K27me3 đóng góp vào hình thành heterochromatin tại loci retrotransposon, ngăn không cho RNA polymerase tiếp cận.

Trong stress tế bào, lão hóa hoặc ung thư, cơ chế điều hòa bị suy giảm, dẫn tới bật lại retrotransposon và tăng đột biến chèn. Sự tái hoạt động này liên quan tới khả năng tạo biến dị di truyền và có thể đóng vai trò trong kháng thuốc và tiến hóa khối u .

Ứng dụng sinh học và y sinh học

LTR promoter từ retrotransposon được khai thác để thiết kế vector biểu hiện gen có độ mạnh và tính điều hòa theo mô: ví dụ LTR từ các họ Ty1/Copia sử dụng trong nông nghiệp để biểu hiện kháng nguyên trong thực vật.

Mapping retrotransposon dùng làm công cụ đánh dấu đa hình di truyền cho phân tích cấu trúc quần thể và xác định mối quan hệ họ hàng, nhất là ở các loài chưa có bộ gen tham chiếu. SINE Alu fingerprinting được ứng dụng rộng rãi trong nhân chủng học và pháp y.

Nghiên cứu mối liên hệ retrotransposon-ung thư cho thấy LINE-1 chèn mới tại gen ức chế khối u hoặc gen sửa chữa DNA có thể kích hoạt đột biến ác tính. Do đó LINE-1 cũng được sử dụng làm chỉ báo cho tiến triển khối u và đáp ứng điều trị.

Thách thức và hướng nghiên cứu tương lai

Phần lớn retrotransposon trong bộ gen được coi là ‘dark genome’ do không biểu hiện hoặc không rõ chức năng. Xác định vai trò chức năng của các loci còn ẩn đòi hỏi tích hợp multi-omics (epigenomics, transcriptomics, proteomics) và kỹ thuật CRISPR-Cas để tạo đột biến định hướng.

Phát triển công nghệ single-cell omics kết hợp long-read sequencing có thể theo dõi động học chèn và biểu hiện retrotransposon ở cấp tế bào, giúp hiểu rõ cơ chế phân tán di truyền trong quần thể tế bào ung thư hoặc mô phát triển.

Ứng dụng machine learning để dự đoán vị trí chèn ưu tiên dựa trên đặc trưng trình tự và epigenetic landscape của bộ gen chủ là hướng nghiên cứu tiềm năng, hứa hẹn cải thiện khả năng kiểm soát hoạt động retrotransposon trong liệu pháp gen và canh tác sinh học.

Tài liệu tham khảo

• Kazazian, H. H. Jr. (2004). Mobile elements: drivers of genome evolution. Science, 303(5664), 1626–1632.
• Wicker, T., et al. (2007). A unified classification system for eukaryotic transposable elements. Nature Reviews Genetics, 8, 973–982.
• Bourque, G., et al. (2018). Ten things you should know about transposable elements. Genome Biology, 19, 199.
• RepeatMasker. repeatmasker.org.
• Dhakshnamoorthy, J., et al. (2019). piRNA-mediated transposon silencing in germ cells. Genes & Development, 33(9–10), 538–551.