Nature：谁掌控了人类生命的第一个开关？一个被“驯化”的逆转录病毒的自白

生命起点模拟器：在培养皿中重塑 创世 七日

探索人类生命的最初阶段，如同凝视宇宙大爆炸的奇点，充满了神秘，也布满了伦理和实践的重重障碍。直接在人类胚胎上进行功能性基因研究受到严格限制。那么，我们如何才能安全、有效地窥探生命最初几天的奥秘呢？

答案是：建造一个足够逼真的 生命起点模拟器 。研究人员运用了近年来一项突破性技术，人类 类囊胚 (human blastoid)模型。受精卵在发育的第5-7天会形成一个名为囊胚 (blastocyst) 的中空细胞球，它包含了未来发育成胎儿的内细胞团 (inner cell mass) 和形成胎盘的滋养外胚层 (trophectoderm)。类囊胚则是由人类多能 (human naive pluripotent stem cells, hnPSCs)在体外经过精密诱导自组织形成的三维结构，它在形态和细胞谱系上高度模拟了真实的囊胚。

该研究中的类囊胚模型堪称一个完美的 替身 。它同样拥有三个关键的细胞谱系：

1.上胚层 (Epiblast) 类似物：表达 KLF17 和 NANOG 等标志性蛋白，它们是未来发育成胎儿所有组织的 种子细胞 。

2.下胚层 (Hypoblast) 类似物：表达 GATA4 和 SOX17，它们将发育成卵黄囊，为早期胚胎提供。

3.滋养外胚层 (Trophectoderm) 类似物：表达 GATA3，它们是未来胎盘的 奠基者 。

更重要的是，研究人员发现，这些类囊胚会像真实胚胎一样，在特定的发育阶段 唤醒 一段名为HERVK LTR5Hs的古老病毒序列。HERVK (Human Endogenous Retrovirus K) 是在人类基因组中最为年轻、也最活跃的一类内源性逆转录病毒。而 LTR5Hs 则是其长末端重复序列 (Long Terminal Repeat) 的一个亚型，它像一个病毒自带的 启动子 或 增强子 ，能够劫持宿主的转录机器，启动基因表达。在真实的早期人类胚胎中，HERVK LTR5Hs 的表达在8细胞时期被激活，并在囊胚期维持高度活跃。

这个在培养皿中诞生的 迷你生命 ，不仅结构相似，连基因表达的 节律 都与真实胚胎同频。这为研究人员提供了一个前所未有的、可以进行遗传学操作的实验平台，让他们能够直接提问：这个被早期胚胎特异性激活的古老病毒序列 LTR5Hs，究竟扮演着什么角色？它是无足轻重的 背景音乐 ，还是决定命运的 指挥官 ？

沉默的病毒幽灵与凋亡的 黑暗球体

为了回答这个问题，研究人员设计了一个巧妙的 基因沉默 实验。他们利用一种名为CARGO-CRISPRi的技术，这可以被理解为一个的 基因表达调光器 。它使用一个 失活 的 Cas9 蛋白 (dCas9) 融合一个强力转录抑制结构域 KRAB，再通过精心设计的向导 RNA (gRNA) 阵列，将这个 抑制复合体 精确地引导到人类基因组中约700个 LTR5Hs 元件的位置上。一旦就位，它就会通过增加组蛋白 H3 赖氨酸9三甲基化 (H3K9me3) 这种抑制性染色质修饰，像一个 静音按钮 一样，强效地压制 LTR5Hs 的活性。

实验结果令人震撼。

当 LTR5Hs 的活性被高度抑制时，人类多能干细胞完全失去了形成类囊胚的能力。它们不再分化、聚集、形成中空的囊腔，而是凝聚成一个个密实、无结构的 黑暗球体 (dark spheres)。这些黑暗球体在显微镜下显得毫无生机，仿佛迷失了发育的方向。

当 LTR5Hs 的活性被中度抑制时，细胞虽然还能尝试形成类囊胚，但成功率大幅下降，形成的结构也大多是 发育不良 的，囊腔小，细胞谱系混乱。

只有在 LTR5Hs 活性几乎不受影响的细胞系中，才能高效地形成结构完整、谱系清晰的正常类囊胚。

研究人员进一步绘制了一条清晰的剂量依赖曲线：随着 LTR5Hs 的表达水平从高到低，形成类囊胚的微孔比例也随之下降，其相关性在学上极为显著(P 10⁻ )。这有力地表明：LTR5Hs 的活性水平与类囊胚的形成潜力直接挂钩。没有足够的 LTR5Hs 活性，就没有类囊胚的诞生。

那些神秘的 黑暗球体 究竟发生了什么？通过对细胞凋亡标志物，活化的 Caspase-3 (cleaved CASP3) 进行染色，答案水落出。正常的类囊胚中只有零星几个细胞显示凋亡信号（中位数为3个），而在 黑暗球体 中，凋亡细胞的数量激增（中位数为29个）。这表明，压制 LTR5Hs 的活性，不仅阻断了正常的发育程序，还启动了细胞的自我毁灭程序。这些古老的病毒序列，似乎掌握着早期生命 生 与 死 的密码。

发育蓝图的扭曲：当细胞迷失身份

黑暗球体 的出现，证明了 LTR5Hs 是 必需品 。但那些 发育不良 的类囊胚，又揭示了什么更深层的信息呢？ LTR5Hs 的功能是像 承重墙 ，一旦受损，整个建筑就瞬间崩塌？还是像 建筑蓝图 ，它的缺失或模糊，会让细胞工匠们迷失方向，建造出错误的房间？

为了探究这个问题，研究人员动用了单细胞RNA测序 (single-cell RNA sequencing, scRNA-seq)。这项技术能够读取单个细胞内所有基因的表达信息，相当于对一个多细胞结构进行 人口普查 ，不仅能知道有多少 人 ，还能知道每个 人 的具体 职业 （即细胞类型和状态）。

他们比较了正常类囊胚和 LTR5Hs 中度抑制的 发育不良 类囊胚中每个细胞的基因表达谱。结果发现，LTR5Hs 的抑制，系统性地扭曲了发育的蓝图：

上胚层谱系 幼稚化 ：在中度抑制的类囊胚中，出现了一个新的、异常的上胚层细胞亚群，研究人员称之为 新生上胚层 (neo-epiblast)。与正常上胚层细胞相比，这些细胞的基因表达特征更接近于更早期的、更不成熟的胚胎细胞。这表明 LTR5Hs 的活性对于推动上胚层细胞的正常成熟至关重要。

下胚层和滋养层谱系失衡：荧光染色结果直观地显示，在中度抑制的类囊胚中，代表上胚层的 KLF17 阳性细胞和代表下胚层的 GATA4 阳性细胞数量显著减少。这与单细胞测序数据中下胚层细胞簇比例降低的结果相符。这说明 LTR5Hs 的缺失，间接损害了下胚层的分化。

综合来看，LTR5Hs 并非简单地提供 有或无 的开关信号，而是精细地调控着早期胚胎中不同细胞谱系的命运决定和成熟过程。它就像一位经验丰富的工匠，确保每一块 砖 （细胞）都能在正确的时间被放置在正确的位置。一旦这位工匠缺席，整个建筑项目（胚胎发育）便会陷入混乱。

大海捞针：锁定一个 人类特有 的关键元件

全基因组范围内沉默 LTR5Hs 证明了其家族的集体重要性。但这带来了一个更具挑战性的问题：在基因组中散布的数百个 LTR5Hs 拷贝中，是否所有成员都同等重要？还是说，其中存在一个或几个 关键先生 ，起着决定性的作用？

为了找到这个潜在的 关键先生 ，研究人员进行了一场精准的 基因外科手术 。他们从之前单细胞测序中找到的、在 新生上胚层 中表达下调的基因入手，筛选出那些启动子附近（250kb范围内）恰好存在 LTR5Hs 元件的基因。这些基因成为了重点嫌疑对象。随后，他们利用 CRISPR-Cas9 基因编辑技术，逐一 敲除 （永久删除）这些候选的 LTR5Hs 元件。

他们测试了六个不同的 LTR5Hs 元件。其中，对ZNF729基因旁一个 LTR5Hs 元件的敲除，产生了最为戏剧性的后果。

ZNF729 (Zinc Finger Protein 729)是一个编码 KRAB 锌指蛋白的基因，这类蛋白通常作为转录因子，调控其他基因的表达。惊人的是，当研究人员将 ZNF729 旁边的这个 LTR5Hs 元件（下称 LTR5Hs-ZNF729）完全敲除后，多能干细胞的命运发生了与全局抑制 LTR5Hs 时如出一辙的改变：

1.增殖变慢：野生型细胞的倍增时间约为19小时，而敲除了 LTR5Hs-ZNF729 的细胞，倍增时间延长到了34小时。

2.无法形成类囊胚：这些细胞同样只能形成没有发育潜能的 黑暗球体 。

更具说服力的证据来自 回补实验 。研究人员在已经敲除了 LTR5Hs-ZNF729 的细胞中，通过转基因技术重新表达 ZNF729 蛋白。奇迹发生了：这些原本注定只能形成 黑暗球体 的细胞，部分恢复了形成类囊胚的能力！

这一系列的实验，构建了一个完整而严密的证据链：LTR5Hs 元件家族的整体导致了类囊胚形成失败，而这种失败，在很大程度上可以归因于一个关键成员，LTR5Hs-ZNF729 的缺失，它通过调控 ZNF729 基因的表达，掌握着早期发育的 生杀大权 。

最令人激动的是这个发现的进化意义。通过比较不同物种的基因组，研究人员发现，ZNF729 基因本身是灵长类动物特有的，而调控它的这个 LTR5Hs-ZNF729 元件，更是人类谱系所独有！它在我们与最近的亲戚黑猩猩分道扬镳之后，才悄然插入到人类的基因组中。

这是一个何等深刻的启示：一个人类特有的病毒 遗迹 ，劫持了一个灵长类特有的基因，共同构成了一个全新的调控模块，而这个模块，对于我们人类生命最原始的起点，竟然是不可或缺的。

年轻的 指挥官 与古老的 军团

现在，所有的焦点都集中到了 ZNF729 这个 年轻的指挥官 身上。它究竟是如何执行 LTR5Hs-ZNF729 这个 最高指令 的？它调控的又是什么样的 基因军团 呢？

为了探明 ZNF729 的功能，研究人员再次使用了一种巧妙的分子生物学工具，dTAG 系统。他们将 ZNF729 蛋白标记上一个 可降解标签 ，这样只需加入一种小分子药物，就可以在数小时内让细胞内的 ZNF729 蛋白被迅速清除，从而实现对蛋白功能的急性 关闭 。

通过在关闭 ZNF729 功能后进行 RNA 测序，研究人员看到了令人惊讶的图景。ZNF729 调控的下游基因，并非人们想象中的某些与胚胎发育直接相关的 专家基因 ，而是一大批执行最基础、最核心细胞功能的 管家基因 (housekeeping genes)。这些基因负责着细胞周期调控（如 MYC, CDK1）、新陈代谢、DNA 复制和修复等生命活动的基本保障。这些功能是所有细胞赖以生存和分裂的基础，其历史可以追溯到数十亿年前的单细胞生物。

进一步的染色质免疫共沉淀测序 (ChIP-seq) 实验揭示了其作用机制。ZNF729 蛋白能够广泛地结合在这些管家基因启动子区域的富含GC核苷酸的序列上。有趣的是，尽管 ZNF729 拥有一个典型的 KRAB 抑制结构域，并且确实能招募抑制性蛋白 TRIM28，但它在许多结合位点上，扮演的却是 激活者 的角色，促进了这些管家基因的表达。

至此，整个故事的全貌清晰地展现在我们面前：

在人类演化的某个节点，一个 HERVK 病毒的 LTR5Hs 序列 跳跃 到了 ZNF729 基因附近。这个人类特有的 增强子 极大地提升了灵长类特有的 ZNF729 基因在早期胚胎中的表达水平。随后，高表达的 ZNF729 蛋白作为一个新的 指挥官 ，接管了对细胞内最古老、最核心的 管家基因军团 的调控。这个全新的、由 病毒元件-年轻基因-古老功能 组成的调控轴，在人类的演化中变得如此重要，以至于一旦这个轴的任何一环出现问题，我们生命的第一个关键步骤，囊胚的形成，便无法完成。

重新思考进化：被 病毒 绑架的生命开端

这项研究如同一扇窗，让我们得以窥见进化过程的深刻复杂性与偶然性。它彻底颠覆了我们对 垃圾DNA 的认知，并对 基因决定论 提出了新的诠释。

首先，它展现了进化的 修补匠 本质。进化并非总是从零开始创造全新的基因和通路，而更擅长利用手头已有的 废料 进行改造和重组。一个古老的病毒序列，在经历了千万年的沉寂后，被生命发育的特定程序重新启用，成为了一个强大的调控元件。这种 废物利用 的策略，是驱动生命创新的重要动力。

其次，它揭示了 演化新事物 如何获得 核心功能 。一个年轻的、物种特异性的基因 (ZNF729)，如何能在短时间内变得不可或缺？答案可能是通过 接管 古老而核心的细胞功能。ZNF729 并没有发明新的细胞功能，而是通过结合到大量管家基因的启动子上，将这些基础功能置于自己的调控之下。这可能为早期胚胎提供了某种增殖或代谢上的优势，久而久之，原有的、更古老的调控网络可能被削弱或取代，使得细胞对这个新的 ZNF729 调控轴产生了 依赖成瘾 (transposon addiction)。一旦失去了这位新的 指挥官 ，整个系统便会瘫痪。

最后，这项研究为理解 人类独特性 提供了新的分子视角。我们常常思考是什么让我们成为人类。答案可能不只在于大脑皮层的沟回，或者语言和思维的出现，也可能隐藏在这些看似微不足道的、在基因组中不断跳跃的病毒序列里。正是这些微小的、偶然的遗传变异，在漫长的演化岁月中被自然选择固定下来，最终在分子层面上，为 人类 的独特性状写下了注脚。

当我们的目光再次投向那片曾被称为 垃圾 的基因组暗物质时，心中应充满敬畏。那里或许没有宝藏，但埋藏着无数关于生命起源、演化和定义的线索。每一个病毒 化石 ，都可能是一段被遗忘的创世指令，等待着在恰当的时机，被重新唤醒，塑造生命的未来。这项研究告诉我们，我们与病毒的关系，远不止是感染与免疫的对抗，更是一场持续了亿万年的、深入骨髓的协同演化。我们，在某种意义上，都是病毒的后代。

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