Alu元件：從DNA、RNA至蛋白質的演化

轉位元件（transposable element）是可以複製並在基因體中改換位置的一段 DNA 序列，他們跟基因的功能調控與演化息息相關。Alu 元件（Alu element）專屬於靈長類，也是人類基因體中最豐富的轉位元件。起先，他們被認為是「垃圾DNA」，後來我們逐漸發現 Alu 元件的可能造成突變、序列重組，也影響基因表現量甚至基因體的大小。此篇新聞將介紹 Alu 元件如何增加遺傳多樣性，以及如何參與蛋白體和功能的演化歷程。

Alu元件嵌入基因體，不僅僅改變 DNA 序列，由於它具有類似 RNA 剪接（RNA splicing）時辨識的的剪接切位（splice site），因此有機會產生新的外顯子（exon）。部分的 Alu 外顯子已知會調控 mRNA 的衰變及轉譯活性，另有研究顯示 RNA 的 A-to-I editing 常發生在 Alu 元件。在蛋白質的層面，Alu 外顯子對蛋白質體（proteome）的貢獻則有待釐清，Makalowski 等人於分析 Protein Data Bank 的蛋白質，指出具有功能的蛋白較無可能含有像 Alu 元件或是在演化上相對年輕的重複性序列。因此儘管 Alu 元件衍生的外顯子在人類轉錄體中極為普遍，這類外顯子是否被轉譯成蛋白，進而擴增人類蛋白質體豐富度仍極具爭議性。

加州大學洛杉磯分校的研究團隊，嘗試使用多種系統性生物技術來重新檢視此一問題。他們首先從序列資料庫中篩選出含有蛋白編碼區（coding sequence）的 Alu 外顯子，再藉由轉錄體定序（RNA-seq）分析它們被轉錄的程度，實驗結果顯示部分 Alu 外顯子具有高度 RNA 剪接活性，這大力支持它們會被轉譯成蛋白質此一論點。他們首先從序列資料庫中篩選出具有高度 RNA 剪接活性、位於蛋白編碼區的 Alu 外顯子，經比對 RNA-seq 資料庫，剔除含終止密碼子、誘導降解的 RNA 序列之後，部分 Alu 外顯子的確會被轉譯成蛋白質。此外，約 30% 的 Alu 外顯子可被比對到蛋白質資料庫的胜肽序列，說明 Alu 外顯子能被轉譯成蛋白質中的小段胜肽。他們又分別利用 RNA-seq、核醣體分析（ribosome profiling）來比較 Alu 外顯子被剪接和轉譯的整體狀況，發現部分含有 Alu 外顯子的 RNA 異構物（isoform）比缺少 Alu 外顯子的更容易被轉譯成蛋白質。至於這些含有 Alu 元件的蛋白質是否具有功能，或是有著與其它蛋白質異構物不同的功能則是另一個有趣的課題。

研究團隊挑選一個特別的蛋白質，細胞週期調控因子 SUGT1 做研究對象。從資料庫比對發現，人類 SUGT1 蛋白當中，包含一段來自 Alu 元件的33個胺基酸。SUGT1 中的 Alu 外顯子被剪接、表現的程度，以人類中最高，黑猩猩次之，而在恆河猴的轉錄體則完全偵測不到剪接。再透過親緣分析的結果，Alu 元件被表現至蛋白質序列當中的這個特徵，應該出現於人類與黑猩猩最近共祖（most recent common ancestor）之前、猿類與舊世界猴（恆河猴）分家之後，Alu 外顯子表現量增加則應發生於近期人類的演化史。隨後，他們發現 SRP9、ZNF468 這兩個基因在靈長類的表現也具有類似現象。然而由於 RAN-seq 資料庫與定序深度的限制，還可能有其他類似的基因尚未被找到。所以，SUGT1 基因的例子，揭示 Alu 外顯子被表現可能增加某些蛋白質產物的分歧。

隨著科學家對基因體的認識，演化的研究對象已從蛋白編碼區擴展到 RAN、非轉譯片段。Alu 元件可說是靈長類最具特色的重複性片段，這個研究發現不少 Alu 外顯子可被轉譯為蛋白質，並提供幾個特別的案例分析，提供未來科學家們針對基因功能性研究的有趣題材。

圖說：蛋白質體和核醣體分析結果顯示 SUGT1含有 Alu外顯子衍生出的胜肽，而且只出現在人類和黑猩猩中。圖片來源： https://goo.gl/1UomC7

參考資料：

Lin, L., Jiang, P., Park, J. W., Wang, J., Lu, Z., Lam, M. P., … Xing, Y. (2016). The contribution of Alu exons to the human proteome. Genome Biology, 17(1). doi:10.1186/s13059-016-0876-5
Ramaswami, G., Lin, W., Piskol, R., Tan, M. H., Davis, C., & Li, J. B. (2012). Accurate identification of human Alu and non-Alu RNA editing sites. Nature Methods, 9(6), 579-581. doi:10.1038/nmeth.1982
Shen, S., Lin, L., Cai, J. J., Jiang, P., Kenkel, E. J., Stroik, M. R., … Xing, Y. (2011). Widespread establishment and regulatory impact of Alu exons in human genes. Proceedings of the National Academy of Sciences, 108(7), 2837-2842. doi:10.1073/pnas.1012834108