撰文 | 十一月
责编 | Qi
人类基因组中约45%的区域包含转座子和逆转录转座子，这其中包括人内源性逆转录病毒（Human endogenous retroviruses，HERVs）【1】。HERVs属于反转录转座子的长末端重复家族（Long terminal repeat，LTR），占人类基因组的8%。HERV家族由数百到数千个序列组成，这使得对HERV家族进行功能研究从而确定它们对生物过程的影响极具有挑战性。
2021年5月4日，来自德国慕尼黑亥姆霍尔兹中心的Michelle Vincendeau研究组在Cell Stem Cell杂志上发表题为Activation of HERV-K(HML-2) disrupts cortical patterning and neuronal differentiation by increasing NTRK3的文章，利用CRISPR为基础的手段揭开了HERV-K（HML-2）对于神经分化过程的影响。
为了更好的对HERV-K(HML-2)的对于神经分化过程的影响进行研究，作者们使用CRISPR激活技术（CRISPR activation，CRISPRa）在人类胚胎干细胞中对HERV-K (HML-2) 进行操作。作者们构建了H9-dCas9-VP64的细胞系首先对基因组DNA以及mRNA的水平进行检测，确认dCas9本身并不会对细胞有影响。随后，作者们将HERV-K (HML-2) 的不同gRNA载体一起转入细胞之中，构建H9-CRISPRa-HERV-K (HML-2) 细胞系，通过qRT-PCR可以发现HERV-K(HML-2)的水平显著提高（图1）。
图1. CRISPR激活技术促进HERV-K(HML-2)水平提高并导致皮层神经元分化异常
HERV-K (HML-2) 水平升高的细胞系构建完成后，作者们希望对胚胎干细胞分化成为皮层神经元的影响进行检测。作者们发现HERV-K (HML-2) 水平升高后会损害皮层神经元的分化，但是不会影响多巴胺能神经元（图1）。该结果说明HERV-K (HML-2) 水平升高是特异性的只对皮层神经元有影响。进一步地，作者们通过对HERV-K (HML-2) 水平升高分化后的皮层神经元的功能进行分析，与对照组相比皮层神经元对钙离子的响应降低，功能受到了显著地影响。
为了进一步对HERV-K (HML-2) 在生理水平下三维脑发育结构中的功能进行鉴定，作者们构建了对照组以及HERV-K (HML-2) 激活组的前脑类器官。作者们发现，HERV-K (HML-2) 激活组的前脑类器官尺寸远小于对照组。但是通过对两种基因型的前脑类器官进行细胞凋亡以及细胞增殖相关的细胞标记物进行检测，发现这种不同并非是由细胞凋亡或者增殖能力的不同所造成。作者们发现HERV-K (HML-2) 激活组的前脑类器官中发育的模式存在缺陷，例如类器官中大脑皮层皮质板层中的神经元显著变少。
那么HERV-K (HML-2) 激活是如何影响基因表达从而导致皮层神经分化过程出现缺陷呢？为了对这一问题进行解析，作者们对对照组以及HERV-K(HML-2) 激活组中的蛋白质编码基因进行了主成分分析。通过基因本体论富集分析以及与神经退行性疾病相关的数据库进行比对，作者们发现其中包括神经营养性酪氨酸受体激酶NTRK3、CLSTN2、CHRDL1、EPHA4在内的4个基因表达受到了显著的影响。为了对HERV-K (HML-2) 激活影响皮层神经分化的机制进行探究，作者们利用CRISPR激活技术对这四个基因分别进行了激活，最终发现NTRK3的激活会造成神经元形态的变化。而在HERV-K(HML-2) 激活背景下敲低NTRK3则会挽救神经元分化的异常。因此，HERV-K (HML-2) 是通过显著上调NTRK3活性造成神经元分化异常，从而导致神经突过度生长。
图2. 工作模型
总的来说，作者们发现通过特异性地激活HERV家族的成员HERV-K(HML-2)对神经元分化过程造成损害并且会影响前脑类器官的生长，HERV-K(HML-2)的激活会特异性的影响皮层神经元分化过程（图2）。因此，该工作建立起了对HERV元件的生物学功能以及与疾病相关的具体分子机制。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.stem.2021.04.009
参考文献
1. van de Lagemaat, L. N., Landry, J. R., Mager, D. L. & Medstrand, P. Transposable elements in mammals promote regulatory variation and diversification of genes with specialized functions. Trends in genetics : TIG 19, 530-536, doi:10.1016/j.tig.2003.08.004 (2003).
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