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系列专题报道 | piRNA
2020-03-30

piRNA (PIWI-Interacting RNA) 是一类与PIWI蛋白相互作用的非编码小RNA,其长度在24—35nt左右,主要存在于动物的生殖细胞中。piRNA与PIWI蛋白结合形成PIWI/piRNA分子机器,其主要作用之一是沉默减数分裂过程中被激活的转座子(Transposon)——一种可以在基因组中自我复制并插入到其他位置的外缘遗传片段。在转录后基因沉默(Post-transcriptional gene silencing)中,piRNA通过碱基互补配对寻找靶标,而PIWI蛋白负责切割靶标RNA,将这些RNA降解。在piRNA的引导下,大量转座子RNA被沉默,使得基因组的完整性得以维持。此外 PIWI/piRNA复合物还可以招募其他蛋白通过表观遗传的方式调控基因表达。

BioArt总结了近期piRNA研究的重要突破,以飨读者(点击对应标题图阅读报道原文)


NCB | 李鑫团队揭示核糖体介导piRNA的形成
在小鼠生殖细胞的减数分裂中,第一次减数分裂前期可被细分为五个时期,其中粗线期时期产生了生殖细胞内超过95%的piRNA。这些piRNA被称作粗线期 piRNA,它们的前体主要是来自于基因间区段的长非编码RNA,目前在小鼠基因组中已发现100个这样的基因。piRNA生成发生在线粒体外膜上。这一过程需要一系列蛋白复合物的参与,将小RNA从长非编码RNA上剪切下来,并加工为成熟的piRNA。粗线期piRNA是如何产生的一直是领域内研究的热门问题,但仍有很多机制并未被揭示。
2020年2月3日,美国罗彻斯特大学李鑫博士团队首次发现核糖体介导粗线期piRNA的形成,揭示了核糖体的又一种新功能

本文在现有的piRNA生成模型上提出了新的模型。新模型将piRNA生成分成两个阶段:1,核糖体在靠近5´端的uORF上翻译阶段;2,核糖体在MOV10L1的促进下在UDR上移动阶段。在第二阶段中,核糖体停留的5´端位置会被线粒体外膜上具有核酸内切酶活性的PLD6切割,这一过程产生的RNA片段随后被进一步加工为成熟piRNA。此外,本文还通过研究鸡和蜥蜴精巢中的核糖体印记及piRNA,揭示了核糖体参与piRNA生成这一发现具有跨物种保守性。




专家点评NCB | 俞洋/黄旲组合作深入阐明piRNA调控异染色质形成的分子机制
piRNA簇(piRNA cluster)表达的piRNA长度大约在24到31nt之间,通过与PIWI家族蛋白(Argonaute家族蛋白的一个亚家族)形成piRISC复合物(piRNA induced silencing complex)而起作用。piRISC复合物能在转录(TGS,Transcriptional gene silencing)和转录后水平的沉默转座子(PTGS,Post-transcriptional gene silencing)。PTGS主要通过“乒乓循环”(ping-pong cycle)在切割piRNA靶标的同时产生更多的新生piRNA,从而形成类似“先天免疫系统”的正反馈,在细胞质层面降解转座子RNA。TGS是在转录水平沉默目标转座子——最终结果是诱导转座子插入位点形成组成型异染色质。转座子的沉默通常跟组蛋白修饰(H3K9me3)有很强的相关性。目前认为,Piwi/piRNA复合物通过转座子新生RNA招募Panoramix(Panx),并最终导致转座子区域异染色质的形成,该过程需要H3K9me3甲基化转移酶SetDB1/Eggless和H3K4me2去甲基化酶LSD1。
2019年9月30日,中科院生物物理所俞洋团队和上海生化细胞所黄旲(Ying)团队(现上海交大医学院)进一步深入阐明了piRNA介导的转座子异染色质形成的分子机制。该研究发现,生殖细胞特异表达的核转运因子(NXF)家族蛋白dNxf2能与dNxt1(P15)以及Panx形成三元复合物,并通过竞争性结合阻止dNxf1(又叫TAP,是介导mRNA出核的经典接头蛋白)与核孔互作,从而导致了转座子新生RNA在核内的滞留。该文章首次证明PANDAS(Panoramix-dNxf2 dependent TAP/p15 Silencing)复合物的存在,并提出了RNA介导异染色质形成的新理论,既阻断新生RNA出核在调控异染色质过程中起核心作用,并为将来研究其它RNA介导的表观遗传调控提供指导意义。

 

Nature | piRNA前体产生的机制
虽然,目前对于piRNA生物合成的机制大致可以归纳为上述模型,但是,这个模型中仍有很多不明了的地方,其中之一就是pre-piRNA的具体产生机制。目前,人们认为核内切酶Zucchini(小鼠中称为MitoPLD或PLD6),作为线粒体外膜蛋白,是催化pre-pre-piRNA裂解为pre-piRNA的主要酶,但是却缺乏直接证据,并且其切割方式也一直存在着模棱两可甚至矛盾的地方,一方面,因为“尾随”piRNA通常以一个5’-端的尿嘧啶碱基(U)开始,人们认为在体内Zucchini的裂解优先发生在碱基U前面(+1U偏好);但是另一方面,纯化的Zucchini在体外又表现出非特异性的核糖核酸内切酶活性。
因此,为了更准确地分析pre-piRNA的产生机制,近日,来自日本东京大学的Yukihide Tomari研究团队在Nature上发表题为Zucchini consensus motifs determine the mechanism of pre-piRNA production 的文章,建立了Trimmer敲除桑蚕细胞系,并利用一个无细胞系统,首次详细准确地揭示了pre-piRNA产生的两条平行机制——依赖于Zucchini和不依赖于Zucchini,强调了多路复用系统对强大而灵活的piRNA生物合成的重要作用。


Cell新发现 | 同济大学余天雄等揭露生殖细胞通过piRNA抵御病毒入侵的机制
2019年10月10日,同济大学、美国马萨诸塞州大学医学院及澳大利亚昆士兰大学的多位研究学者组成的科研团队在发表了题为考拉基因组中piRNA对逆转录病毒入侵的响应的长文文章,巧妙地利用了这种在进化上相对“年轻”的KoRV病毒,通过观察其在考拉个体间(水平)及子代间(垂直)转移的差异、多种组学序列数据精细分析,揭示了考拉基因组中piRNA对于逆转录病毒入侵的应答机制。
地球上每个物种都曾经受到考拉正在经历的病毒入侵过程。这项研究巧妙地利用了KoRV入侵考拉基因组的“实时性”,整合多种组学序列数据并进行精细的生物信息学分析,发现从未被认知的生殖系统对于病毒入侵的应答机制。这一发现为物种进化、基因组免疫应答及功能调控等研究打开了新思路,具有深远影响及意义。


Mol Cell | 翁志萍团队等建立piRNA产生机制的空间框架
一般来说,RNA的定向移动需要通过与蛋白质相结合;在细胞中随机扩散的RNA犹如在茫茫大海中寻找岛屿的船,其发现目的地的概率微乎其微。2019年5月7日,麻省诸塞大学医学院翁志萍教授与Phillip D. Zamore教授合作,发现一种名为Armitage (Armi) 的RNA解旋酶同时存在于生殖质和线粒体中,它能根据两条通路的状态动态地调整其分布。同时,Armi也是一种ATP激酶,它不仅可以结合RNA,还可以通过消耗储存在ATP中的能量来选择性结合特定类型的RNA分子。
通过对piRNA生产过程中关键蛋白因子的定位、相互作用及功能研究,研究者建立了piRNA产生机制的空间框架,填补了我们对其生化途径组织结构的知识空白。这项工作对生物医学研究,例如RNA代谢、线粒体功能和动物生育能力等的研究具有普遍意义。


参考文献(按照上文的顺序)
1. 
Sun YH, Zhu J, Xie LH, et al. Ribosomes guide pachytene piRNA formation on long intergenic piRNA precursors [published correction appears in Nat Cell Biol. 2020 Mar;22(3):353]. Nat Cell Biol. 2020;22(2):200–212. doi:10.1038/s41556-019-0457-4
2. 
Zhao K, Cheng S, Miao N, et al. A Pandas complex adapted for piRNA-guided transcriptional silencing and heterochromatin formation. Nat Cell Biol. 2019;21(10):1261–1272. doi:10.1038/s41556-019-0396-0
3. 
Izumi N, Shoji K, Suzuki Y, Katsuma S, Tomari Y. Zucchini consensus motifs determine the mechanism of pre-piRNA production. Nature. 2020;578(7794):311–316. doi:10.1038/s41586-020-1966-9
4. Yu T, Koppetsch BS, Pagliarani S, et al. The piRNA Response to Retroviral Invasion of the Koala Genome. Cell. 2019;179(3):632–643.e12. doi:10.1016/j.cell.2019.09.002
5. 
Ge DT, Wang W, Tipping C, Gainetdinov I, Weng Z, Zamore PD. The RNA-Binding ATPase, Armitage, Couples piRNA Amplification in Nuage to Phased piRNA Production on Mitochondria. Mol Cell. 2019;74(5):982–995.e6. doi:10.1016/j.molcel.2019.04.006

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