小鼠精子发生中MIWI蛋白的转运机制

　　

3月15日，国际学术期刊Nature Communications在线发表了中国科学院分子细胞科学卓越创新中心（生物化学与细胞生物学研究所）刘默芳研究组、同济大学丁德强团队和国科大杭州高等研究院王鑫合作研究成果：“piRNA loading triggers MIWI translocation from the intermitochondrial cement to chromatoid body during mouse spermatogenesis”。该研究发现piRNA结合决定了MIWI蛋白能否在小鼠生精细胞不同生殖颗粒（Germ granules）间正常转运，并证明MIWI转运异常致小鼠精子发生阻滞和雄性不育。

piRNA（PIWI interacting RNA）可与PIWI蛋白特异性地在动物生殖系细胞中表达，二者形成PIWI/piRNA复合物，通过抑制转座子、调控蛋白质编码基因发挥功能，为动物生殖细胞发育分化及生育必需。生殖颗粒是存在于动物生殖细胞胞质中的无膜细胞器，是RNA生成和代谢的重要场所，对生殖细胞发育分化至关重要，这类无膜细胞器在精子发生过程中随发育阶段不同而呈现动态多变的模式。大量研究显示PIWI/piRNA通路与一些生精细胞特异性生殖颗粒偶联。特别是，位于线粒体簇间的Intermitochondrial cement（IMC）和细胞核周的Chromatoid body（CB）被分别认为是piRNA加工成熟和功能的场所，也是被研究得最清楚的两种生殖颗粒。IMC出现于精子发生早期，在晚期精母细胞阶段开始消失，直到球形精子细胞阶段完全消失；CB则在IMC消失过程中逐步出现，最终在球形精子细胞中聚集形成单一的点状结构。小鼠PIWI蛋白MIWI、MILI和MIWI2在雄性生殖细胞中呈现时空特异性表达，其中MIWI在初级精母细胞阶段开始表达，并主要定位在IMC中参与piRNA加工生成。随后，MIWI在球形精子细胞中富集在CB中，执行PIWI/piRNA复合体的生物学功能。虽然目前已明确了MIWI随精子发生进程从IMC转移到CB，但如何启动MIWI在两类生殖颗粒间的转运仍是领域内悬而未决的问题。

鉴于MIWI在IMC中参与piRNA加工成熟、在CB中参与piRNA生物学功能，研究人员推测MIWI可能是结合了piRNA后才从IMC转运至CB，也就是说会不会是piRNA结合触发了MIWI的转运过程？为了验证这个猜测，研究人员首先构建了两种piRNA结合缺陷Miwi突变小鼠（Miwi^YY/YY和Miwi^YK/YK）。先前的研究表明， MIWI在初级精母细胞阶段表达后，会与线粒体锚定的Tudor家族蛋白TDRKH结合，从而被招募到IMC中。而在Miwi^YY/YY和Miwi^YK/YK小鼠中， 虽然在精母细胞中观察到了piRNA结合缺陷MIWI突变蛋白被正常定位到了IMC中，但在球形精子细胞中突变MIWI蛋白却不能正常转运到CB，表明piRNA结合对MIWI在精子发生进程中的正常转运至关重要。机制研究表明，piRNA结合MIWI后可减弱其与TDRKH的相互作用，故伴随piRNA在IMC加工成熟及MIWI结合piRNA，MIWI即与TDRKH解离，进而从IMC脱离。研究人员进一步发现，MIWI与TDRKH解离会暴露其N端的精氨酸残基，使得PRMT5（蛋白精氨酸甲基转移酶）对其甲基化修饰，导致MIWI蛋白离开IMC后即被定位CB的另一Tudor家族蛋白TDRD6识别结合，最终被招募到CB中执行MIWI/piRNA的生物学功能。最后，利用构建的Miwi^YY/YY和Miwi^YK/YK小鼠模型，研究人员发现MIWI转运缺陷会导致MIWI蛋白降解，piRNA生成异常，最终导致小鼠雄性不育。

基于以上研究发现，研究人员提出了MIWI蛋白转运的工作模型：MIWI在粗线期中期的精母细胞中表达，其未甲基化的N端与TDRKH互作而被招募到IMC中参与piRNA的加工。而随着piRNA加工成熟，会诱导MIWI的构象发生变化，进而减弱其与TDRKH的相互作用，导致其从IMC释放。从IMC释放的MIWI暴露其N端的精氨酸残基，经PRMT5甲基化以后，会促进MIWI与TDRD6的相互作用从而被TDRD6招募到CB中。

综上，此项研究揭示了piRNA结合MIWI是如何启动并推动MIWI从IMC转移到CB的精细过程，建立piRNA加工生成和功能发挥之间的联系，并证明了该机制为精子发生和雄性生殖必需，为相关男性不育症的临床诊治提供了理论依据和潜在的靶点。

国科大杭高院生命学院博士生魏欢，同济大学博士生高洁，分子细胞卓越中心林迪航博士以及同济大学耿睿嵘硕士为该论文共同第一作者。分子细胞卓越中心-国科大杭高院刘默芳研究员、同济大学丁德强教授以及国科大杭高院王鑫副研究员为该论文的共同通讯作者。该项研究得到了分子细胞卓越中心李劲松研究员和美国密歇根州立大学的Chen Chen教授、分子细胞卓越中心动物实验技术平台和细胞分析技术平台的大力协助，同时得到了中国科学院、基金委、科技部、上海市科委、杭高院、新基石研究员项目等经费支持。

文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-46664-3

小鼠精子发生中MIWI蛋白从IMC转运到CB的精细途径模型图