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piRNA (PIWI-Interacting RNA) 是一類與PIWI蛋白相互作用的非編碼小RNA，其長度在24—35nt左右,，主要存在于動物的生殖細(xì)胞中,。piRNA與PIWI蛋白結(jié)合形成PIWI/piRNA分子機(jī)器，其主要作用之一是沉默減數(shù)分裂過程中被激活的轉(zhuǎn)座子（Transposon）——一種可以在基因組中自我復(fù)制并插入到其他位置的外緣遺傳片段。在轉(zhuǎn)錄后基因沉默（Post-transcriptional gene silencing）中,，piRNA通過堿基互補(bǔ)配對尋找靶標(biāo),，而PIWI蛋白負(fù)責(zé)切割靶標(biāo)RNA，將這些RNA降解,。在piRNA的引導(dǎo)下,，大量轉(zhuǎn)座子RNA被沉默，使得基因組的完整性得以維持,。此外 PIWI/piRNA復(fù)合物還可以招募其他蛋白通過表觀遺傳的方式調(diào)控基因表達(dá),。
在小鼠生殖細(xì)胞的減數(shù)分裂中，第一次減數(shù)分裂前期可被細(xì)分為五個時期,，其中粗線期（pachytene）時期產(chǎn)生了生殖細(xì)胞內(nèi)超過95%的piRNA【1】,。這些piRNA被稱作粗線期 piRNA，它們的前體（precursor）主要是來自于基因間區(qū)段（intergenic region）的長非編碼RNA（long non-coding RNA）,，目前在小鼠基因組中已發(fā)現(xiàn)100個這樣的基因,。piRNA生成（piRNA biogenesis）發(fā)生在線粒體外膜上。這一過程需要一系列蛋白復(fù)合物的參與,，將小RNA從長非編碼RNA上剪切下來,，并加工為成熟的piRNA【2】。粗線期piRNA是如何產(chǎn)生的一直是領(lǐng)域內(nèi)研究的熱門問題,，但仍有很多機(jī)制并未被揭示,。
2020年2月3日，美國羅徹斯特大學(xué)李鑫博士團(tuán)隊在Nature Cell Biology雜志上以長文形式在線發(fā)表了題為Ribosomes guide pachytene piRNA formation on long intergenic piRNA precursors的研究,，首次發(fā)現(xiàn)核糖體介導(dǎo)粗線期piRNA的形成,，揭示了核糖體的又一種新功能。
本文中,，研究者通過核糖體印記測序（Ribo-seq）和小RNA測序（small RNA sequencing）,在排除Ribo-seq中piRNA污染的情況下,，發(fā)現(xiàn)核糖體廣泛結(jié)合在piRNA前體上，并且其5′端和成熟piRNA的5′端高度重合,。通過研究發(fā)現(xiàn)：核糖體停留在piRNA前體上的位置確定了成熟piRNA的產(chǎn)生位置,。然而這一結(jié)果也帶來了新的疑問：核糖體如何穩(wěn)定停留在長非編碼RNA上？
通過分析Ribo-seq數(shù)據(jù),，同時利用翻譯抑制劑Harringtonine以及Mov10l1和Tdrd5兩種突變體,，研究者發(fā)現(xiàn)這些長非編碼RNA的5′端存在很短的上游開放閱讀框（UpstreamOpen Reading Fragment, uORF）。在小鼠中,，39個piRNA前體上的uORF只包含一個開放閱讀框（single-ORF）,，而其余61個piRNA前體上的uORF包含多個開放閱讀框（multi-ORF）。核糖體印記（Ribosome Footprint）在這些開放閱讀框內(nèi)呈現(xiàn)3nt的周期性,，同時可以檢測到蛋白表達(dá)產(chǎn)物,，說明這些開放閱讀框可被核糖體翻譯,。在RNA解旋酶Mov10l1突變體中【3】，核糖體印記在uORF的末端停止,，并不能繼續(xù)移動到uORF的下游區(qū)域（UDR,，uORF Downstream Regions）上，piRNA也無法產(chǎn)生,，說明MOV10L1促進(jìn)核糖體進(jìn)入UDR區(qū)域,。值得一提的是，此前密歇根州立大學(xué)Chen Chen博士團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)Tdrd5突變體小鼠精巢中粗線期piRNA顯著降低,，但靠近piRNA前體5′端的區(qū)域依然能產(chǎn)生與野生型相當(dāng)?shù)膒iRNA,，僅下游的piRNA產(chǎn)生受到影響【4】。通過合作研究,，本文發(fā)現(xiàn)piRNA前體上的uORF可以很好地解釋Tdrd5突變體中觀測到的現(xiàn)象：uORF部分的piRNA產(chǎn)生未受影響,，而UDR區(qū)域的piRNA顯著降低。
最后本文在現(xiàn)有的piRNA生成模型上提出了新的模型【5】,。新模型將piRNA生成分成兩個階段：1,，核糖體在靠近5′端的uORF上翻譯階段；2,，核糖體在MOV10L1的促進(jìn)下在UDR上移動階段,。在第二階段中，核糖體停留的5′端位置會被線粒體外膜上具有核酸內(nèi)切酶活性的PLD6切割,，這一過程產(chǎn)生的RNA片段隨后被進(jìn)一步加工為成熟piRNA,。此外，本文還通過研究雞和蜥蜴精巢中的核糖體印記及piRNA,，揭示了核糖體參與piRNA生成這一發(fā)現(xiàn)具有跨物種保守性,。
本項研究的第一作者為美國羅徹斯特大學(xué)博士研究生孫禹，第二作者為朱江博士,、謝力和李紫威博士,。本項研究的合作者包括美國俄亥俄州立大學(xué)宋馳博士，美國密歇根州立大學(xué)Chen Chen博士,，法國里昂大學(xué)Emiliano P. Ricci博士以及美國馬薩諸塞州大學(xué)醫(yī)學(xué)院翁志萍博士。
https:///10.1038/s41556-019-0457-4
1. Li, X. Z., Roy,C. K., Dong, X., Bolcun-Filas, E., Wang, J., Han, B. W., … & Zamore, P.D. (2013). An ancient transcription factor initiates the burst of piRNAproduction during early meiosis in mouse testes. Molecular cell, 50(1), 67-81.
2. Czech, B.,Munafò, M., Ciabrelli, F., Eastwood, E. L., Fabry, M. H.,Kneuss, E., & Hannon, G. J. (2018). piRNA-guided genome defense: Frombiogenesis to silencing. Annual review of genetics, 52, 131-157.
3. Vourekas, A.,Zheng, K., Fu, Q., Maragkakis, M., Alexiou, P., Ma, J., … & Wang, P. J.(2015). The RNA helicase MOV10L1 binds piRNA precursors to initiate piRNAprocessing. Genes & development, 29(6), 617-629.
4. Ding, D., Liu,J., Midic, U., Wu, Y., Dong, K., Melnick, A., … & Chen, C. (2018). TDRD5binds piRNA precursors and selectively enhances pachytene piRNA processing inmice. Nature communications, 9(1), 127.
5. Gainetdinov,I., Colpan, C., Arif, A., Cecchini, K., & Zamore, P. D. (2018). A singlemechanism of biogenesis, initiated and directed by PIWI proteins, explainspiRNA production in most animals. Molecular cell, 71(5), 775-790.
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