Comparative Analysis of Transposable Elements and KRAB Zinc Finger Genes in Human and Non-human Primates

Abstract

Transposable elements (TEs) and their repressors, KRAB zinc finger proteins (KRAB-ZNF proteins), play pivotal roles in shaping regulatory innovation during vertebrate evolution, particularly in primates. This study introduces TEKRABber, a computational framework developed to enable systematic analysis and cross-species comparison of TE expression and KRAB-ZNF interactions. TEKRABber provides standardized normalization and differential expression analysis of TE subfamilies using outputs from various RNA-seq quantification tools, facilitating downstream exploration of TE–gene and TE–KRAB-ZNF relationships within and between species.

Application of TEKRABber to multiple RNA-seq datasets, including human cortical samples from healthy and Alzheimer’s disease patients as well as brain tissues from four primate species, revealed evolutionary patterns in KRAB-ZNF–TE regulatory networks. Bipartite network analysis identified an increased number of KRAB-ZNF–TE interactions in humans compared to other primates, particularly involving recently evolved TEs such as Alu elements. Notably, ZNF528 , a KRAB-ZNF gene under positive selection in the human lineage, showed numerous human-specific interactions. Negative correlations were primarily observed with Alu elements, consistent with transcriptional repression, while other TEs were more frequently associated with positive correlations. In Alzheimer’s disease samples, a regulatory subnetwork consisting of 21 Alu-associated interactions appeared reduced or absent, suggesting a potential link between TE dysregulation and neurodegeneration.

To investigate the molecular basis of these interactions, multi-omic integration of KAP1 ChIP-seq and RNA-seq data from B-lymphoblastoid cells (B cells) of humans, chimpanzees, and orangutans was performed. Thousands of species-specific KAP1-binding sites were identified, the majority of which overlapped with TEs located in intronic or intergenic regions. Genes proximal to KAP1 peaks in non-human primates were enriched for neuronal development functions and more frequently downregulated than in humans. Locus-specific TE expression profiles were incorporated into downstream analyses with TEKRABber, enabling detailed comparisons of transcriptional activity across species. These analyses revealed that KAP1-bound TE loci are generally transcriptionally repressed. By combining motif analysis, gene expression, and binding profiles, species-specific regulatory networks were reconstructed, linking differentially expressed KRAB-ZNF genes to their putative targets. These findings underscore the utility of TEKRABber in integrating multi-modal data and support the hypothesis that the evolving interplay between KRAB-ZNFs and TEs contributes to lineage-specific gene regulation and primate brain evolution.

Transposable Elemente (TEs) und ihre Repressoren, KRAB-Zinkfinger-Proteine (KRAB-ZNFs), haben wesentlich zur Evolution neuer regulatorischer Mechanismen bei Primaten beigetragen. In dieser Arbeit wird TEKRABber vorgestellt, ein Rechenframework zur systematischen Analyse von TE-Expression und KRAB-ZNF-Interaktionen. Es integriert RNA-seq-Daten verschiedener Quellen, ermöglicht standardisierte Normalisierung und differentielle Expressionsanalysen und unterstützt dadurch vergleichende Studien innerhalb und zwischen Arten.

Die Anwendung von TEKRABber auf RNA-seq-Datensätze aus menschlichem Kortex (gesunde und Alzheimer-Proben) sowie aus Gehirngewebe mehrerer Primatenarten zeigte deutliche Unterschiede in den KRAB-ZNF–TE-Netzwerken. Beim Menschen fanden sich mehr Interaktionen, insbesondere mit jungen TEs wie Alu-Elementen. Hervorzuheben ist ZNF528, ein unter positiver Selektion stehendes Gen, das zahlreiche menschenspezifische Bindungen aufwies. Negative Korrelationen wurden überwiegend mit Alu-Elementen beobachtet, während andere TEs häufiger positiv assoziiert waren. In Alzheimer-Proben fehlte ein Teil der Alu-assoziierten Interaktionen, was auf eine mögliche Verbindung zwischen TE-Dysregulation und Neurodegeneration hinweist.

Zur Untersuchung der molekularen Basis wurden KAP1-ChIP-seq- und RNA-seq-Daten aus B-Zellen von Mensch, Schimpanse und Orang-Utan integriert. Es zeigten sich tausende artspezifische KAP1-Bindungsstellen, überwiegend in intronischen oder intergenischen TE-Regionen. Gene in deren Nähe waren bei nicht-menschlichen Primaten häufiger herunterreguliert und mit neuronalen Funktionen assoziiert. Zudem bestätigten lokusspezifische Analysen, dass KAP1-gebundene TEs meist reprimiert sind.

Insgesamt verdeutlichen die Ergebnisse, dass TEKRABber multimodale Datenintegration ermöglicht und das Zusammenspiel von KRAB-ZNFs und TEs als treibende Kraft stammesspezifischer Genregulation und der Evolution des Primatengehirns unterstützt.