小非编码RNA在精子发生及男性不育中的功能机制

小非编码RNA是一类特殊的基因调控因子,可在转录、转录后和表观遗传水平上调控真核生物细胞的基因表达.大量研究发现,包括piRNA, miRNA和tsRNA等小非编码RNA在哺乳动物雄性生殖细胞中高丰度表达,为精子发生和雄性生殖必需,其表达异常及相关调控通路基因突变与男性不育密切相关.本文总结近期关于小非编码RNA与精子发生相关的研究进展,将主要概述小非编码RNA在哺乳动物精子发生中的生物学功能和作用机制相关最新研究进展,并探讨其异常调控与男性不育的相关性及其在男性不育临床诊治中的潜在应用.     

piRNA——一种新型的小分子RNA

小分子RNA已成为全球生物学研究关注的热点之一.最近,在哺乳动物的生殖细胞中发现了一种新型的小分子RNA：piRNA,比以往发现的小分子RNA稍长些,大小在30个核苷酸左右,piRNA必须与哺乳动物的Piwi蛋白结合才能发挥作用.目前对piRNA的研究还处于初始阶段,但鉴于piRNA主要分布在包括人类等数种动物体睾丸的精原细胞内,科学家们推测这类小分子RNA可能与动物体内精子的发育和维持的功能相关.     

PIWI/piRNA“机器”与雄性生殖细胞发育

PIWI(P-element-induced wimpy testis)蛋白在动物生殖系细胞中特异性表达,为动物生殖细胞发育分化所必需。piRNA(PIWI-interacting RNAs)是最近在动物生殖系细胞中发现的一类非编码小分子RNA,这类小RNA特异性地与PIWI家族蛋白相互作用。PIWI/piRNA"机器"通过沉默转座元件和调控编码mRNA等方式在动物生殖细胞发育分化过程中发挥重要作用。本文围绕PIWI/piRNA"机器"的生物学功能及分子机制,对近期取得的相关研究进展进行了系统性总结。     

第三类小RNA和生殖细胞发育

果蝇中重复相关小干扰RNA(rasiRNA)和哺乳动物中Piwi相互作用RNA(piRNA)是最近发现的大小在30个核苷酸左右的小RNA,它们与已经发现的22个核苷酸左右的短干扰RNA(siRNA)和微小RNA(miRNA)有明显区别,因此命名为第三类小RNA。第三类小RNA可以与Piwi形成基因沉默复合体,并可能采取与经典RNA干扰不同的方式而影响特定基因的表达。目前这类小RNA主要在生殖细胞及干细胞中发现,尤其对生殖细胞中生理功能的全面研究,可能对RNA干扰现象有一个更为全面的理解。     

piRNA通路中调控蛋白质研究进展

piRNA是一类与Argonaute蛋白家族的PIWI亚家族蛋白结合的非编码小RNA,其在沉默转座子、维持基因组的稳定性和保证生物体生殖细胞的正常发育中起着重要作用。piRNA通路包括piRNA的生成、piRISC的形成,以及由piRISC介导的转座子沉默。现总结了目前发现的参与调控果蝇和小鼠中piRNA通路的蛋白质因子。     

piRNA和PIWI蛋白的功能机制研究进展

piRNA是2006年7月在动物生殖细胞中发现的一类新小分子非编码RNA。piRNA特异地与PIWI家族蛋白相互作用,因此,被命名为PIWI-interacting RNA,简称piRNA。这类长度在26～32核苷酸的小分子非编码RNA代表了一个生殖细胞转座子沉默的独特小RNA通路。它们可能通过与PIWI家族蛋白质相互作用,在表观遗传学水平和转录后水平沉默转座子等基因组自私性遗传元件,参与生殖干细胞自我维持和分化命运决定、减数分裂、精子形成等生殖相关事件。在piRNA发现后短短数年的时间,对其生物发生、功能及作用机制的研究都取得了诸多重大突破。该文就piRNA研究的最新研究进展作一简述。     

piRNA的生物学功能

非编码小RNA（non-coding RNA, ncRNA）主要有siRNA（small interfering RNA）、miRNA(microRNA)和piRNA (piwi-interacting RNA)三类,其中piRNA是近年来新发现的一类小RNA分子,特异性地同Argonuat蛋白家族中的Piwi亚家族蛋白结合,主要在生殖细胞系中表达,对维持生殖系DNA完整、抑制转座子转录、抑制翻译、参与异染色质的形成、执行表观遗传调控和生殖细胞发生等均有重要作用．piRNA基因几乎遍布于整个基因组,但呈高度不连续性分布,大部分定位于20～90 kb的染色体基因簇上．与来自于双链RNA的siRNA和发卡结构miRNA不同之处是piRNA来自长单链RNA前体,或者是两股非重叠的反向转录前体,其生成与Dicer无关．作为调节RNA（riboregulator）,piRNA和miRNA可能在动物起源早期就已经出现了,帮助生命进入了一个多细胞动物的时代,产生了今天的生物体复杂性和多样性．piRNA成为ncRNA的研究热点,进展飞快,有很多综述及时介绍piRNA的研究进展,本文结合siRNA、miRNA的特点介绍了关于piRNA的形成机制和作用的最新研究成果．     

PIWI/piRNA调控基因表达研究的新进展

piRNA是2006年发现的一类在动物生殖系特异性表达的小分子非编码RNA。piRNA的生成和功能行使均依赖PIWI蛋白。之前的研究认为,PIWI/piRNA通过表观遗传水平和转录后水平沉默转座子等自私性遗传元件,维持生殖细胞基因组的稳定性和完整性。最近的研究发现,PIWI/piRNA还可以通过转录后水平调控蛋白质编码基因,参与胚胎发育、性别决定、配子发育等事件的调控。现简要介绍PIWI/piRNA调控基因表达研究的新进展。     

脆性X智力低下蛋白参与非编码RNA通路的研究进展

脆性X综合征(Fragile X syndrome)是一种最常见的遗传性智力低下疾病,并且伴有语言和行为障碍等。该疾病是由脆性X智力低下基因(Fragile X mental retardation 1, FMR1)突变而导致脆性X智力低下蛋白(Fragile X mental retardation protein, FMRP)表达异常造成的。近年来,研究发现FMRP参与非编码RNA通路,并发挥多种重要生物学功能,这对理解脆性X综合征发病机理具有重要的推动作用。首先发现FMRP与siRNA和miRNA通路中Dicer酶、Ago1和Ago2蛋白相互作用,参与神经活动及生殖干细胞命运决定等重要过程。随后又发现FMRP与piRNA通路中Aub、Ago1和Piwi蛋白相互作用,维持了染色体正常结构和基因组稳定性。最新研究结果发现FMRP与lncRNA相互作用,其功能和价值正引起关注。本文从FMRP与非编码RNA通路的关系展开,着重介绍了FMRP与piRNA之间的相互作用,以期为深入理解非编码RNA通路在脆性X综合征的发病过程中作用提供参考,同时期望与临床医学领域尽快形成交叉研究,早日促进理论成果转化为临床应用。     

piRNA：一类新的非编码小RNA

piRNA（Piwi-interacting RNA）是从哺乳动物生殖细胞中分离得到的一类长度约为30nt的小RNA,并且这种小RNA与PIWI蛋白家族成员相结合才能发挥它的调控作用。目前,越来越多的文献表明piRNA在生殖细胞的生长发育中的调控是由于Piwi-piRNA复合物引起的基因沉默导致的,但由于对piRNA的研究尚处于初级阶段,它的一些具体的功能和生源论尚在研究当中。本文主要综述了piRNA的最新研究进展。     

PIWI/piRNA介导表观遗传学调控在生殖细胞发育中的作用

piRNA(PIWI-interacting RNA)是主要在生殖细胞系中表达的一类由21～33个核苷酸组成的单链非编码RNA,与PIWI蛋白结合而发挥调控作用。研究显示,PIWI/piRNA不仅可以在细胞质里对mRNA直接进行剪切和降解,还能招募大量的表观遗传学修饰蛋白介导基因组和组蛋白的表观遗传学调控关闭基因,促进配子发育安全有序地进行。该文综述了PIWI/piRNA介导的表观遗传学调控在生殖细胞发育中的作用,以促进PIWI/piRNA在生命科学领域的研究和应用。     

人Piwi基因突变致男性不育的机制研究

大量遗传学研究表明,Piwi蛋白对于动物生殖系细胞发育具有至关重要的作用,Piwi基因敲除致动物不育。人Piwi(Hiwi)基因特异性地在雄性生殖细胞表达,但目前对其在人精子发生中的作用及其与男性不育的联系还知之甚少。该研究通过筛查临床男性不育样本发现,少弱精症患者Hiwi基因中存在拮抗泛素化修饰的D-box元件突变;通过构建基因敲入小鼠模型证实,该突变导致雄性不育。机制研究表明,小鼠Piwi(Miwi)D-box突变致MIWI蛋白异常稳定存在于后期精子细胞中,导致与其相互作用的组蛋白泛素连接酶RNF8(ring finger protein 8)被扣留于细胞质、不能入核催化组蛋白泛素化修饰,进而抑制组蛋白被鱼精蛋白替换,引发精子形成异常、雄性不育。该研究发现了男性不育的一类新型致病基因突变,并发现了Piwi蛋白具有调控组蛋白泛素化修饰的新功能,揭示了精子形成中调控组蛋白–鱼精蛋白转换的重要机制。     

PIWI/piRNA与小鼠精子发生

PIWI蛋白特异性地在动物生殖系细胞中表达,对于动物生殖细胞发育分化至关重要。PIWI蛋白可以特异性地与一类被称为PIWI相互作用RNA的小分子非编码RNA结合。它们组装成功能性的复合体从而在转录水平或者转录后水平抑制转座元件的活性来维持基因组的稳定性。本研究系统总结了关于PIWI蛋白功能,piRNA的产生机制及功能,以及PIWI/piRNA复合体及其他蛋白因子在小鼠精子发生过程中发挥功能的分子机制等方面的相关研究进展,这些发现有助于我们更好地了解PIWI/piRNA在精子发生中的功能机制,并为相关男性不育症的诊治提供了理论依据和方法技术。     

人乳腺癌干细胞中PIWI基因及piRNAs的表达分析

piRNAs是一类与Piwi蛋白家族相互作用的非编码小RNA。Piwi-piRNA通路的主要功能是调控生殖干细胞内转座子沉默,且该通路从果蝇到哺乳动物高度保守。然而,人乳腺癌干细胞中PIWI基因和piRNA的表达尚不明了。本研究采用流式细胞仪分选乳腺癌MCF-7细胞中的侧群细胞(SP)和非侧群的乳腺癌细胞(NSP),采用RT-PCR法及软琼脂克隆形成实验鉴定SP细胞的干细胞特性,采用实时荧光定量PCR法检测SP及NSP细胞中3种PIWI基因(HIWI,HILI和HIWI2)以及4种piRNA(piR-4987,piR-20365,piR-20485和piR-20582)的表达水平。结果显示:SP细胞亚群富含肿瘤干细胞样细胞;HIWI和HIWI2在SP细胞中的水平显著高于NSP细胞(p0.05);piR-4987、piR-20365和piR-20582在SP细胞中的表达显著高于NSP细胞(p0.01)。结果提示乳腺癌干细胞内可能存在类似生殖干细胞内的Piwi-piRNA通路,HIWI、HIWI2、piR-4987、piR-20365、piR-20485和piR-20582可能参与调控乳腺癌干细胞的生物学特性。     

一类新的基因沉默小RNA-piRNA（piwi-interacting RNA）

piRNA是单链非编码小分子RNA,长度约26-31nt,大部分集中在29-30nt,5’端具有尿嘧啶偏向性（约86％）,能够与Argonaute蛋白家族中的Piwi亚家族蛋白相互结合而产生作用。piRNA的功能主要是维持基因组中转座子的正常沉默状态,以防止基因组中转座子爆发而引起相应基因的改变。piRNA与siRNA及miRNA均是近些年发现的非编码小RNA,它们均可通过一套相应的机制进行RNA干扰,在转录、转录后甚至翻译水平对靶基因及蛋白进行调节,它们之间既有联系又有区别。piRNA数据库的建立将对这类小分子RNA的研究有很大的促进作用。     

piRNA的功能研究进展

piRNA是一类种类繁多的小RNA,通常在生殖类细胞中表达,其功能是抑制转座子的转座,维持基因组结构的稳定性。对线虫piRNA研究发现,piRNA还具有记忆基因表达的功能。体细胞和癌细胞中piRNA的发现,更凸显了piRNA功能的重要性和多样性。本文梳理了近几年来piRNA功能研究的最新成果,包括piRNA在调控转座子、mRNA、lncRNA、DNA甲基化修饰、染色体表观修饰等方面的功能,同时也探讨了piRNA和癌症的关系。     

lncRNA在细胞衰老中的作用

衰老是身体器官系统功能逐渐衰退的复杂的生物学过程,能诱发多种老年病。 长链非编码RNA（long non-coding RNA, lncRNA）是长度大于200个核苷酸的非编码RNA,在多种生理学和病理学过程中发挥重要作用。 细胞衰老是重要的衰老生物学过程之一,已经发现大量的lncRNA参与了细胞周期、端粒长度和表观遗传学等的调控,并影响关键的细胞周期过程,如细胞的衰老、增殖、分化、静止等;同时,lncRNA还参与了衰老相关重要信号通路的调控,如p53/p21、哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mTOR）、视网膜母细胞瘤蛋白（Rb）/p16和磷脂酰肌醇3激酶/苏氨酸蛋白激酶（PI3K/Akt）信号通路,它们均与许多衰老相关重大疾病密切相关。 本文综述了最近发现的与细胞衰老相关的lncRNA的功能和作用机制,并总结了lncRNA参与调控的细胞衰老信号通路,最后讨论了lncRNA未来的研究方向。     

piRNA生物学起源及功能研究进展

piRNA属于非编码小RNA的一员,常见于生殖系干细胞中.既往学者们认为它主要在维持干细胞功能、配子的形成以及沉默外来转座子等方面发挥作用.但近来在体细胞系中的发现,使得人们对它的生物起源以及功能行使有了更大的兴趣.就piRNA的发现、结构特征、功能与基因调控等进行了综述.     

意大利蜜蜂工蜂中肠piRNA的鉴定与分析

【目的】Piwi蛋白互作RNA(PIWI-interacting RNA, piRNA)在昆虫的发育和免疫等重要生物学过程发挥重要的调控作用。本研究旨在丰富西方蜜蜂Apis mellifera的piRNA信息,并为进一步探究差异表达piRNA(differentially expressed piRNA, DEpiRNA)调控意大利蜜蜂Apis mellifera ligustica工蜂中肠发育的分子机理提供基础。【方法】基于已获得的意大利蜜蜂7日龄(Am7)和10日龄(Am10)工蜂中肠的small RNA(sRNA)组学数据,对piRNA进行预测和分析。将质控后的sRNA数据比对西方蜜蜂参考基因组,再将比对上的序列标签(tags)进一步比对数据库以滤除rRNA和tRNA等小非编码RNA(non-coding RNA,ncRNA),进而根据piRNA的长度特征鉴定piRNA。采用TPM(tags per million)算法对piRNA表达量进行计算和归一化处理。根据|log₂ fold change|≥1且P≤0.05的标准筛选Am7 vs Am10 比较组的DEpiRNA。通过相关软件预测DEpiRNA的靶mRNA并进行GO和KEGG数据库注释。利用Cytoscape软件对DEpiRNA-mRNA调控网络进行可视化。通过Stem-loop RT-PCR对随机选取的Am7与Am10两组共有的6个piRNA的表达进行验证。利用RT-qPCR对随机挑选的6个DEpiRNA的表达趋势进行验证。【结果】从意大利蜜蜂工蜂中肠中共鉴定到596个piRNA,长度介于24~33 nt,且Am7和Am10组中不同长度分布范围的piRNA的首位碱基偏向性具有明显差异。在Am7 vs Am10比较组共筛选出41个DEpiRNA,其中piR-ame-11093, piR-ame-1111451,piR-ame-190949和piR-ame-932156可分别靶向1 195, 1 018, 4 040和1 063条mRNA。上述靶mRNA可分别注释到45个功能条目和45条通路。Stem-loop RT-PCR验证结果显示6个piRNA(piR-ame-1084826, piR-ame-11093, piR-ame-14476, piR-ame-24995, piR-ame-39500和piR-ame-774987)均真实表达。RT-qPCR结果显示共有6个DEpiRNA (piR-ame-1084826,piR-ame-11093, piR-ame-14476, piR-ame-24995, piR-ame-39500和piR-ame-774987)的表达趋势与测序数据中的表达趋势一致,证实了本研究中sRNA-seq数据的可靠性和piRNA差异表达趋势的真实性。【结论】本研究从意大利蜜蜂工蜂中肠中鉴定到596个piRN,长度介于24~33 nt。不同长度分布范围的piRNA的首位碱基偏向性具有明显差异;piR-ame-11093, piR-ame-1111451,piR-ame-190949和piR-ame-932156具有靶向调控基因表达参与工蜂中肠发育过程的潜力。     

小RNA分子与精子发生调控

近来研究发现小RNA(small RNAs)可作为转录后及翻译水平上基因表达调节的重要调节因子,利用小RNA来阐明调节精子发生的分子机制取得了显著进展。这些小RNA主要分为3类,即小干扰RNA(siRNA)、微小RNA(miRNA)以及与piwi蛋白相互作用的RNA(piRNA)。在减数分裂和精子发生过程中,小RNA具有多种生物学功能,如利用siRNA体外转染或体内注射来敲低特定基因从而研究该基因在精子发生过程中的作用;miRNA可能参与精子发生中有丝、减数及后减数分裂阶段的基因表达调节;piRNA主要参与调节雄性生殖细胞减数及后减数分裂的过程,在精子发生中起抑制反转录转座子(retrotransposons)的作用。文章对小RNAs合成、作用机制、功能及展望等最新进展进行了综述。