陈大华最新综述：piRNA到底是什么

　　

生物通“核心刊物”迎来了新期刊：科学通报，中国科学C辑:生命科学，这两份期刊均是由中国科学院和国家自然科学基金委员会共同主办的，我国学术期刊中的知名品牌，被国内外各主要检索系统收录，如国内的《中国科学论文与引文数据库》（CSTPCD）、《中国科学引文数据库》（CSCD）等；美国的SCI、CA、EI，英国的SA，日本的《科技文献速报》等。目前针对每期的重点内容，生物通将展开详细推荐，欢迎读者共同参与……

生物通报道：piRNA(Piwi-interactiing RNA)是一类长度约为24~32 nt(nucleotides)的非编码RNA. 在所有的非编码RNA中, piRNA 数量最多, 主要存在于生殖系统. piRNA作为PIWI的向导调控靶基因的表达以及转录和转录后水平的修饰. 在果蝇卵巢生殖细胞中, piRNA 簇的转录子转运到胞浆后经过初级加工途径形成初级piRNA, 结合到Piwi和Aub上. 生殖细胞的初级piRNA还会进入次级加工途径, 经PIWI家族蛋白的协同、加工, 使细胞中的piRNA大量扩增, 称为乒乓循环(“Ping-Pong” cycle), 但是目前对乒乓循环的细节和具体机制还所知甚少.

近期来自中国科学院动物研究所的陈大华研究员等人发表综述，以果蝇卵巢为例主要对piRNA的生成、piRNA的初级加工途径和“乒乓循环”, 以及piRNA的转录沉默等方面的研究进展进行简要综述.

小RNA参与的RNA沉默(RNA silencing)以时空特异性的方式调节基因表达, 在控制生物体的发育和稳态中发挥着至关重要的作用. 小RNA最初在1993 年发现, 在线虫(Caenorhabditis elegans)中小RNA lin-4参与lin14基因的转录后调节, 能够靶向其mRNA. 后来发现更多种类的小RNA广泛存在于多个物种中, 如植物、动物, 甚至细菌. 这些小RNA结合到一类特定的蛋白—Argonaute蛋白上, 组装成RNA沉默复合体(RNA inference silence complex, RISC), 靶向到与小RNA互补的RNA或DNA上, 调节这些RNA或DNA的功能.

在动物体中, 小RNA依其结构特征、来源、加工因子和结合的Argonaute蛋白的不同分为3种, 即microRNA(miRNA), siRNA(small interference RNA)和piRNA(Piwi-interacting RNA). 这3种小RNA的5′端均含有一个单磷酸集团, siRNA 和piRNA的3′端2-OH被甲基化, 而miRNA没有甲基化. miRNA由基因组上特定的miRNA基因转录加工而成, siRNA 由内源表达或外源导入的双链RNA加工而来. miRNA和siRNA 的加工都需要RNaseⅢ蛋白Dicer, 而piRNA由基因组序列转录加工而来, 且不需要Dicer的剪切.

piRNA不同于miRNA和siRNA的序列特征和产生方式, 以及piRNA 在动物发育中的重要作用, 引发研究者去试图揭示piRNA 的生成和功能机制. 现在已经发现了很多蛋白参与piRNA簇的转录、加工以及成熟piRNA 对转座子表达的沉默过程, 然而对这些蛋白的作用机制知之甚少, 亟需更深入的研究.

这篇综述介绍了piRNA的多个方面，比如调控，表观沉默等。文章指出尽管piRNA的研究已经取得了很大的进展, 对piRNA 的生成和了解已经有了一个总体上的认识, 但是在一些关键问题和具体机制方面还需要更多的研究.

首先, piRNA簇及其转录产物是如何同其他基因组位点和转录产物区分的. 单向转录的转录子依赖于其自身的启动子, 可以独立地启动转录, 但是其转录子似乎进入了不同与mRNA剪切的加工途径, 具体机制还不清楚. 双向转录的piRNA 簇几乎没有独立的启动子, 其似乎依赖于两端的基因和Rhi的结合, 而Rhi靶向到某个非piRNA簇区域甚至能将其转变为piRNA簇. Rhi可能通过结合H3K9me2/3识别结合染色质, 但是H3K9me2/3广泛存在于异染色质区, H3K9me2/3和两端基因的存在似乎不足以定义一个piRNA簇和Rhi的神奇功能, 可能还有其他的染色质结合蛋白与Rhi共同作用, 有待进一步的鉴定. 从这种piRNA簇转录出的RNA进入了不同的剪切加工途径, 可能还有赖于Del, Cuff和UAP56的作用, 但具体的机制也不清楚.

再者, piRNA簇转录子进入胞浆中, 需要复杂的加工, 尤其是生殖细胞中有初级和次级两条途径, 加工的细节还知之甚少. 这些piRNA 簇转录子很可能是通过特定的核外运因子转运到胞浆的, 且马上进入了Yb小体或nuage中同普通的RNA区分开来. 初级途径中, piRNA簇转录子很可能是被核酸酶Zuc剪切而形成piRNA的5′端的, 而在次级途径中, 是通过Aub和AGO3的Slicer活性剪切形成的, 但是现在还没有鉴定出参与这些piRNA 3′端形成的核酸酶. 在乒乓循环中, Aub与AGO3都定位在nuage上, 而Piwi也在nuage上结合piRNA, 因此需要保证乒乓在Aub与AGO3之间进行, 从而产生有效的piRNA. 现在已知Tud和Qin/Kumo以及Vasa可能参与这个调节, 但具体的分子机制还不清楚.

这些nuage蛋白细微的定位差异和动态变化可能是一个关键因素. 特定的PIWI蛋白可能会与特定的蛋白定位在不同的nuage亚结构中, 这在果蝇卵巢和小鼠(Mus musculus)精子中均有发现. 参与piRNA 途径的很多蛋白似乎都处于动态变化中, 有很多相互作用只是瞬时的, 而且很多蛋白在细胞中不同位置穿梭, 包括nuage、线粒体、胞浆, 可能通过这些机制能保证piRNA的加工能够有序地进行.

最后, Piwi结合piRNA后进入核内, 参与表观调节, 有证据表明可能是转录沉默, 也有可能是转录激活, 似乎是依染色质类型而不同, 具体机制还不清楚. piwi 的缺失导致插入到真染色质位置的转座子的H3K9me3水平降低, RNA 聚合酶Ⅱ聚集水平升高, RNA合成增强, 造成了该插入转座子的表观激活, 同时这种激活状态还有可能向转座子插入位点两端延伸, 因此Piwi蛋白通过表观抑制来沉默插入到真染色质区的转座子. 然而也有研究发现, Piwi 的表观激活功能, Piwi/piRNA 结合到亚端粒异染色质3R-TAS 区, 维持该区真染色质标记H3K4me2/3和H3K9ac的水平, 抑制H3K9me2/3和HP1a的水平, 使该区域的piRNA 表达. 后来的研究验证了Piwi对一些插入到真染色质的转座子形成的piRNA簇的转录是必需的, 在这些位点有较高的H3K9me3水平和Rhi的结合. 直接的Piwi的ChIP-seq也提示, Piwi/piRNA在真染色质和异染色质上有不同的结合模式. 这种差异可能跟HP1a和Rhi相关, 但需要更多的证据来解释.

果蝇是最早被发现piRNA存在的物种之一, 对其卵巢中piRNA 的研究相对更多和更深入, 但是现在对其他物种和组织, 包括果蝇睾丸、线虫、斑马鱼(Barchydanio rerio var)和小鼠睾丸中piRNA的研究有了很大的进展, 这些piRNA 通路与果蝇卵巢piRNA 通路有很多相似的机制, 很多同源蛋白参与其中, 但是也发现有一些不同点, 这些相同和不同点都能够促进对piRNA 更加深入的研究. 另外, 除了生殖系统, 在很多类型的体细胞中也发现了PIWI家族蛋白及piRNA类小RNA, 尤其是在癌细胞中, 对这些细胞piRNA的研究也许会有一些医学上的价值, 同时这种不同组织的piRNA 研究也可以相互借鉴, 对深入理解piRNA很有帮助.

原文检索：

王海龙, 王晓娜, 陈大华. 果蝇卵巢中的piRNA发生. 中国科学: 生命科学, 2016, 46: 52–65
Wang H L, Wang X N, Chen D H. piRNA biogenesis in Drosophilaovary. Sci Sin Vitae, 2016, 46: 52–65, doi: 10.1360/N052015-00224