Long interspersed element 1 (LINE-1 or L1) retrotransposons have markedly affected the human genome. L1s must retrotranspose in the germ line or during early development to ensure their evolutionary success, yet the extent to which this process affects somatic cells is poorly understood. We previously demonstrated that engineered human L1s can retrotranspose in adult rat hippocampus progenitor cells in vitro and in the mouse brain in vivo. Here we demonstrate that neural progenitor cells isolated from human fetal brain and derived from human embryonic stem cells support the retrotransposition of engineered human L1s in vitro. Furthermore, we developed a quantitative multiplex polymerase chain reaction that detected an increase in the copy number of endogenous L1s in the hippocampus, and in several regions of adult human brains, when compared to the copy number of endogenous L1s in heart or liver genomic DNAs from the same donor. These data suggest that de novo L1 retrotransposition events may occur in the human brain and, in principle, have the potential to contribute to individual somatic mosaicism.

Repeated DNA makes up a large fraction of a typical mammalian genome, and some repetitive elements are able to move within the genome (transposons and retrotransposons). DNA transposons move from one genomic location to another by a cut-and-paste mechanism. They are powerful forces of genetic change and have played a significant role in the evolution of many genomes. As genetic tools, DNA transposons can be used to introduce a piece of foreign DNA into a genome. Indeed, they have been used for transgenesis and insertional mutagenesis in different organisms, since these elements are not generally dependent on host factors to mediate their mobility. Thus, DNA transposons are useful tools to analyze the regulatory genome, study embryonic development, identify genes and pathways implicated in disease or pathogenesis of pathogens, and even contribute to gene therapy. In this review, we will describe the nature of these elements and discuss recent advances in this field of research, as well as our evolving knowledge of the DNA transposons most widely used in these studies. Keywords: Transposable elements, DNA transposons, Tc1/mariner elements, Sleeping Beauty, piggyBac, Tol2, insertional mutagenesis, transgenesis

Long interspersed element (LINE) 1 retrotransposons are major genomic parasites that represent ≈17% of the human genome. The LINE-1 ORF2 protein is also responsible for the mobility of Alu elements, which constitute a further ≈11% of genomic DNA. Representative members of each element class remain mobile, and deleterious retrotransposition events can induce spontaneous genetic diseases. Here, we demonstrate that APOBEC3A and APOBEC3B, two members of the APOBEC3 family of human innate antiretroviral resistance factors, can enter the nucleus, where LINE-1 and Alu reverse transcription occurs, and specifically inhibit both LINE-1 and Alu retrotransposition. These data suggest that the APOBEC3 protein family may have evolved, at least in part, to defend the integrity of the human genome against endogenous retrotransposons.

LINE-1 (L1) retrotransposons are mobile genetic elements comprising ~17% of the human genome. New L1 insertions can profoundly alter gene function and cause disease, though their significance in cancer remains unclear. Here, we applied enhanced retrotransposon capture sequencing (RC-seq) to 19 hepatocellular carcinoma (HCC) genomes and elucidated two archetypal L1-mediated mechanisms enabling tumorigenesis. In the first example, 4/19 (21.1%) donors presented germline retrotransposition events in the tumor suppressor mutated in colorectal cancers (MCC). MCC expression was ablated in each case, enabling oncogenic β-catenin/Wnt signaling. In the second example, suppression of tumorigenicity 18 (ST18) was activated by a tumor-specific L1 insertion. Experimental assays confirmed that the L1 interrupted a negative feedback loop by blocking ST18 repression of its enhancer. ST18 was also frequently amplified in HCC nodules from Mdr2(-/-) mice, supporting its assignment as a candidate liver oncogene. These proof-of-principle results substantiate L1-mediated retrotransposition as an important etiological factor in HCC.

Abstract Endogenous retroviruses are abundant components of mammalian genomes descended from ancient germline infections. In several mammals, the envelope proteins encoded by these elements protect against exogenous viruses, but this activity has not been documented in human. We report that our genome harbors a large pool of envelope-derived sequences with the potential to restrict retroviral infection. To further test this, we characterize in detail the envelope-derived protein, Suppressyn . We found that Suppressyn is expressed in preimplantation embryos and developing placenta using its ancestral retroviral promoter. Restriction assays in cell culture show that Suppressyn , and its hominoid orthologs, can restrict infection by extant mammalian type D retroviruses. Our data support a generalizable model of retroviral envelope cooption for host immunity and genome defense. Summary We found that the human genome expresses a vast pool of envelope sequences of retroviral origin and provide proof of principle that such proteins can restrict zoonotic viruses.

Abstract Vitamin C (vitC) enhances the activity of 2-oxoglutarate-dependent dioxygenases, including TET enzymes, which catalyse DNA demethylation, and Jumonji-domain histone demethylases. The epigenetic remodelling promoted by vitC improves the efficiency of induced pluripotent stem cell derivation, and is required to attain a ground-state of pluripotency in embryonic stem cells (ESCs) that closely mimics the inner cell mass of the early blastocyst. However, genome-wide DNA and histone demethylation can lead to upregulation of transposable elements (TEs), and it is not known how vitC addition in culture media affects TE expression in pluripotent stem cells. Here we show that vitC increases the expression of evolutionarily young LINE-1 (L1) elements in mouse ESCs. We find that TET activity is dispensable for these effects, and that instead L1 upregulation occurs largely as a result of H3K9me3 loss mediated by KDM4A/C histone demethylases. Despite increased L1 levels, we did not detect increased somatic insertion rates in vitC-treated cells. Notably, treatment of human ESCs with vitC also increases L1 protein levels, which could impact the genetic and epigenetic stability of human pluripotent stem cells.

elements are non-autonomous Short INterspersed Elements (SINEs) derived from the

Is the human early embryo unique in lacking an inner cell mass (ICM) and having parallel rather than step-wise development? Here we reanalyse single-cell transcriptomic data and stain human embryos in situ to reveal both classical step-wise development and the missing ICM, a transcriptomic homolog of macaque ICM, that differentiates to epiblast and primitive endoderm. This apparent classicism obscures numerous features that render our blastocyst phylogenetically distinct: unlike mice, human epiblast has hallmarks of self-renewal and we have abundant, previously unrecognized, blastocyst non-committed cells (NCCs), part of an apoptosis-mediated quality control/purging process. Comparative transcriptomics further reveals the transcriptomes of the pluripotent cells to be especially fast evolving, rendering all primate embryos unique. Rapid transcriptome turnover is in large part owing to endogenous retrovirus H (ERVH) activity, ERVH being associated with recent major gene expression gain and loss events of pluripotency-associated genes. Each species is characterised by the ERVHs that are active and the neighbour genes whose expression are in turn modulated. The current portfolio of naive cultures, putative in vitro mimics of pluripotent cells, are both developmentally and phylogenetically "confused" in part owing to a lack of HERVH expression.

Abstract Alu elements are non-autonomous Short INterspersed Elements (SINEs) derived from the 7SL RNA gene that are present at over one million copies in human genomic DNA. Alu mobilizes by a mechanism known as retrotransposition, which requires the Long INterspersed Element-1 (LINE-1) ORF2-encoded protein (ORF2p). Here, we demonstrate that HeLa strains differ in their capacity to support Alu retrotransposition. Human Alu elements retrotranspose efficiently in HeLa-HA and HeLa-CCL2 (Alu-permissive) strains, but not in HeLa-JVM or HeLa-H1 (Alu-nonpermissive) strains. A similar pattern of retrotransposition was observed for other 7SL RNA-derived SINEs and tRNA-derived SINEs. In contrast, mammalian LINE-1s, a zebrafish LINE, a human SINE-VNTR-Alu (SVA) element, and an L1 ORF1-containing mRNA can retrotranspose in all four HeLa strains. Using an in vitro reverse transcriptase-based assay, we show that Alu RNAs associate with ORF2p and are converted into cDNAs in both Alu-permissive and Alu-nonpermissive HeLa strains, suggesting that 7SL- and tRNA-derived SINEs use strategies to ‘hijack′ L1 ORF2p that are distinct from those used by SVA elements and ORF1-containing mRNAs. These data further suggest ORF2p associates with the Alu RNA poly(A) tract in both Alu-permissive and Alu-nonpermissive HeLa strains, but that Alu retrotransposition is blocked after this critical step in Alu-nonpermissive HeLa strains.

Long Interspersed Element 1 (LINE-1/L1) is an abundant retrotransposon that has greatly impacted human genome evolution. LINE-1s are responsible for the generation of millions of insertions in the current human population. The characterization of sporadic cases of mosaic individuals carrying pathogenic L1-insertions, suggest that heritable insertions occurs during early embryogenesis. However, the timing and potential genomic impact of LINE-1 mobilization during early embryogenesis is unknown. Here, we demonstrate that inner cell mass of human pre-implantation embryos support the expression and retrotransposition of LINE-1s. Additionally, we show that LINE-1s are expressed in trophectoderm cells of embryos, and identify placenta-restricted endogenous LINE-1 insertions in newborns. Using human embryonic stem cells as a model of postimplantation epiblast cells, we demonstrate ongoing LINE-1 retrotransposition, which can impact expression of targeted genes. Our data demonstrate that LINE-1 retrotransposition starts very shortly after fertilization and may represent a previously underappreciated factor in human biology and disease.