综述：piRNAs在生殖干细胞自我更新和分化中的作用及机制

《Disease-a-Month》：Roles and mechanisms of piRNAs in self-renewal and differentiation of germline stem cells

piRNAs通过转座子沉默和调控mRNA翻译在干细胞自我更新与分化中起关键作用，与PIWI蛋白协同维持基因组稳定并作为生物标志物。

　　

张建春|王学新|冯宣和|陈燕|于凯|蒋志伟

浙江大学医学院口腔医学院口腔医院，浙江省口腔疾病临床研究中心，浙江省口腔生物医学研究重点实验室，浙江大学癌症中心，浙江省口腔生物材料与器械工程研究中心，中国杭州，310000

摘要

piRNAs是一种丰富且多样化的非编码RNA，在胚胎发育和干细胞中发挥着重要作用。最近的研究探讨了piRNAs如何参与这些生物学过程以及其在干细胞中的作用。它们的调控作用对于干细胞自我更新和分化为特定类型至关重要。piRNAs通过表观遗传抑制机制、“乒乓”效应以及剪接作用来沉默转座元件（TE），从而维护基因完整性。最新研究发现，piRNAs还参与沉默TE并调控蛋白质编码mRNAs，这种调控可以通过PIWI蛋白介导的切割或CCR4-NOT复合体的招募来实现。因此，干细胞自我更新和分化的过程得到了改善。piRNAs与PIWI蛋白共同控制着相关因子的翻译。作为生物翻译调节因子，生殖干细胞（GSCs）中的piRNAs可以通过特异性调控mRNA靶标来决定细胞命运。这种在干细胞中调节翻译的作用似乎是保守的，并且对于维持干细胞平衡至关重要。此外，piRNAs与PIWI蛋白还可以作为干细胞的生物标志物。本文综述了关于piRNAs的发育和生物学功能的最新发现，特别强调了它们在早期胚胎组织形成和干细胞行为调控中的作用。

引言

PIWI相互作用RNA（piRNAs）是一类多样的小分子非编码RNA。最初在果蝇睾丸中被鉴定为重复相关的小干扰RNA（rasiRNAs）（Aravin等人，2001年），后来因与PIWI蛋白的关联而被重新命名为piRNAs（Aravin等人，2006年）。piRNAs的长度约为19-35个核苷酸，在生物生成和功能上与其他小RNA有所不同。2001年piRNAs的发现标志着piRNA研究作为一个独立领域的开始。在此之前，PIWI蛋白并未被认为与AGO家族的Argonaute蛋白有功能上的区别。第一个PIWI蛋白Piwi是在果蝇中鉴定并命名的（Lin和Spradling，1997年）。这些PIWI蛋白属于更大的Argonaute蛋白家族中的一个特化亚家族，其主要功能是通过RNA降解机制来沉默转座元件（Li等人，2025年）。因此，PIWI蛋白与piRNAs在生殖细胞中至关重要，因为这些细胞中转座子非常活跃，需要维持基因组完整性。piRNAs在生殖器官（如睾丸和卵巢）中表达丰富（Girard等人，2006年；Roovers等人，2015年）。piRNAs也可以在性腺的体细胞支持细胞中表达，例如果蝇的卵泡细胞（Li等人，2009a；Malone等人，2009年），并在某些节肢动物的成体体细胞组织中广泛存在（Lewis等人，2018年）。

piRNAs与PIWI蛋白相互作用，影响生殖细胞的发育。在果蝇中，PIWI蛋白参与调控生殖干细胞的自我更新及其向特定类型的分化。由piRNAs诱导的沉默复合物（称为piRISC）通过沉默转座元件来保持遗传稳定性。在细胞核内，piRISC招募染色质重塑蛋白，改变核小体的高级结构和密度，从而导致染色质压缩和转录沉默。在细胞质中，转座元件mRNAs通过“乒乓”放大循环被降解。有趣的是，在扁形动物中，piRNAs被报道可以结合位于无结构RNA区域的多种转录本而不引起目标mRNA的降解（Kim等人，2019年）。然而，这些机制是否存在于其他物种（如果蝇）中仍需进一步研究。

本文探讨了piRNAs和PIWI蛋白如何调控干细胞的命运决策，包括自我更新和分化，重点介绍了Piwi和Aubergine（Aub）在维持基因组稳定性和调节基因表达中的作用。

piRNAs的定义

piRNAs是一类独特的小分子非编码RNA（ncRNA），在发育中的黑腹果蝇中广泛表达，并与PIWI蛋白相互作用。这些非编码RNA的长度约为19-35个核苷酸，在生殖细胞中表达量较高（Aravin等人，2001年、2003年、2006年；Grivna等人，2006年；Lau等人，2006年；Saito等人，2006年；Sarot等人，2004年；Vagin等人，2006年）。除了小鼠和大鼠外，大多数动物的卵巢中还存在一种特定的piRNAs群体。

piRNAs的生物生成

在果蝇中，piRNAs的生成有两种相互关联的途径。一种途径是piRNAs从转座元件（TEs）产生，并通过“乒乓”循环在核仁区切割TE mRNA（Aravin等人，2007年；Brennecke等人，2007年；Gunawardane等人，2007年）。另一种途径是piRNA前体在外线粒体膜上经过多阶段处理，生成3′末端并产生额外的piRNAs。这些多阶段的piRNAs可以在转录过程中发挥作用。

piRNAs的生物学和发育功能

在果蝇中，piRNAs的功能包括通过“乒乓”效应在转录后水平沉默转座元件（TEs），在转录水平上进行表观遗传编程，以及在剪接水平上进行调控。新的证据表明，piRNAs不仅参与沉默TEs，还通过CCR4-NOT复合体调控蛋白质编码mRNAs（Barckmann等人，2015年；Rouget等人，2010年）。

piRNAs在生殖干细胞自我更新中的作用和机制

piRNAs在与PIWI蛋白结合后可以调控生殖干细胞的自我更新。Piwi参与表观遗传抑制机制，抑制TE mRNA。Piwi与c-Fos mRNA结合生成初级piRNAs，从而在转录后水平抑制c-Fos的表达，这对雌性的生育能力至关重要（Klein等人，2016年）。Piwi在 escort 细胞（ECs）中起作用，通过降低BMP和Dpp信号通路来部分抑制生殖干细胞的自我更新（Jin等人，2013年；Ma等人，2014年）。

piRNAs在生殖干细胞分化中的作用和机制

Aub调节分化因子的表达。一方面，Aub对生殖干细胞的分化是必需的；另一方面，Aub在转录和翻译两个层面促进生殖干细胞的分化。此外，Piwi还通过体细胞到生殖细胞的信号传导和线粒体动态来调控生殖干细胞的分化（图3）。

潜在应用

过去二十年里，piRNA生物学领域取得了重大突破，从根本上改变了我们对非编码RNA调控网络的理解（图4）。然而，目前的发现仍处于临床前阶段，许多限制因素阻碍了其进一步的临床应用。本文重点讨论了piRNAs在多个领域的潜在应用，包括跨代遗传研究、男性不育症的诊断、癌症诊断生物标志物等。

结论

由于piRNAs能够沉默转座元件（TEs），它们有助于维持生殖细胞的基因组完整性。不可否认，piRNAs在生殖细胞的特化和发育过程中起着重要作用，通过共调控对发育过程至关重要的mRNAs来实现这一目标。

PIWI蛋白对生殖细胞和干细胞谱系都是不可或缺的。Piwi通过表观遗传机制在细胞核内沉默转座元件（TEs）的转录，而Aub则通过内切核酸酶活性切割由TEs衍生的mRNAs。

CRediT作者贡献声明

张建春：撰写——审稿与编辑；撰写——初稿。王学新：撰写——审稿与编辑。冯宣和：撰写——审稿与编辑。陈燕：撰写——审稿与编辑。于凯：资金获取、概念构思。蒋志伟：监督、资金获取、概念构思。

资金信息

本工作得到了国家自然科学基金的支持（项目编号：81901051、82301120）。

利益冲突声明

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