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。     

piRNA/PIWI功能调控与精子发生

piRNAs(PIWI-interacting RNAs)是一类与PIWI相互作用的小非编码RNAs(small noncoding RNAs, sncRNAs),其长度介于24~32 nt,特异性地在动物生殖腺细胞中表达。近来研究表明piRNA/PIWI系统在动物生殖腺细胞的基因组转座元件沉默及转录后调控mRNAs方面具有重要功能。最近,中国科学院上海生物化学与细胞生物学研究所刘默芳课题组的一项研究表明,在人和小鼠的精子发生过程中,PIWI (鼠源同源蛋白MIWI、人源同源蛋白HIWI)的严格代谢调控至关重要。以此为契机,本文综述了piRNA/PIWI在哺乳动物(主要是小鼠和人)精子发生过程中调控功能的研究进展。     

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。     

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。     

Piwi/piRNA调控异常与男性不育症

男性不育是一个全球性的人口与健康问题,主要病因是少弱畸形精子症或不明原因。最近的生殖生物学和临床医学研究发现了一系列与男性不育相关的基因突变和调控通路,促进了对男性不育致病原因及机理的认识。piRNA(piwi-interacting RNA)是2006年发现的一类动物生殖细胞特异性小分子非编码RNA,通过与Piwi家族蛋白结合形成Piwi/piRNA复合物,在沉默转座子、维持生殖细胞基因组稳定性和完整性、调控生殖细胞发育分化和配子形成等过程中发挥不可或缺的重要生物学功能。近期的研究提示,Piwi/piRNA调控通路异常与男性不育相关。现简要总结和概述了近期关于Piwi/piRNA调控通路在精子发生和男性不育中的生物学功能和机制方面的研究进展。     

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。     

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。     

MIWI/piRNA激活小鼠精子细胞mRNA翻译的新功能机制研究

哺乳动物减数分裂后期的精子发生(spermatogenesis),即精子形成(spermiogenesis),是一个剧烈的细胞形态变化过程。伴随精子细胞中细胞核压缩和染色质重构,基因转录活性将逐渐降低直至完全停止,那些为精子细胞后期阶段发育所需的基因都需要提前转录为信使核糖核酸(mRNA),然后以翻译抑制状态储存在精子细胞中,直到特定发育阶段再被激活翻译,以合成蛋白质发挥作用。这个现象被称为“转录–翻译解偶联”,是精子发生中基因表达调控的一个典型特征。然而,目前对于精子细胞中被抑制的mRNA是如何被翻译激活的还知之甚少。我们当前的这项研究发现,MIWI/piRNA通过与翻译起始因子eIF3f、RNA结合蛋白HuR等因子形成功能性翻译激活复合物,特异性地激活小鼠精子细胞中包含AU序列富含元件(AU-rich element,ARE)mRNA的翻译。此项研究揭示了PIWI/piRNA在精子细胞翻译激活中的新功能,并证明此功能为精子细胞发育和功能性精子生成所必需。     

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.     

非编码RNA与基因表达调控

近年来,随着对基因组的深入研究,发现真核生物中存在许多形态和功能各异的非编码RNA分子,这类RNA分子并不表达蛋白质,但它们在基因转录水平、转录后水平及翻译水平起了重要的调控作用。具有调控作用的RNA分子种类非常丰富,如长链非编码RNA(long non-coding RNA,lncRNA)、miRNA、PIWI相互作用RNA(PIWI-interacting RNA,piRNA)、内源性小干扰RNA(endogenous small interfering RNA,endo-siRNA)、竞争性内源RNA(competitive endogenous RNA,ceRNA)等,它们使基因表达过程更为丰富、严谨和有序。本文综述几类典型的非编码RNA对基因表达的调节作用,以助于理解细胞中RNA分子调节网络的功能和机制。     

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．     

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。     

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。     

新型非编码小RNA——Piwi-interacting RNA(piRNA)

piRNA(Piwi-interacting RNA)是最近从哺乳动物睾丸组织中发现的一类能与PIWI蛋白质相互作用,且长度分布在26～31nt的新型小分子单链RNA,主要综述piRNA的相关研究进展.     

Argonaute蛋白与小RNA的作用机制

RNA干扰(RNA interference, RNAi)是在植物、动物、线虫、真菌以及昆虫等生物体中普遍存在的通过双链RNA(double strand RNA, dsRNA)诱导的抑制同源基因表达的一种保守的调控机制.小分子RNA通过特异性地识别结合RNA诱导的沉默复合体（RNA-induced silencing complex, RISC）对目标mRNA的表达在转录和翻译水平进行抑制.作为RISC的重要组成成分,Argonaute蛋白（Ago）发挥了至关重要的作用.为了进一步阐明Ago蛋白在RNA干扰中对小分子RNA的作用机制,本文介绍了Ago蛋白的结构、分类及其在RNA干扰机制中的作用,并着重阐述了目前已知的植物Ago蛋白对小分子RNA的几种作用机制,以及目前研究发现的Ago蛋白的功能作用,从而更进一步证实Ago蛋白对小分子RNA的作用是一个复杂的过程.     

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。     

长链非编码RNA在哺乳动物精子发生中的功能研究进展

长链非编码RNA(lncRNA)一般是指大于200 nt的RNA,位于细胞核内或胞浆中,不参与蛋白质编码,以RNA形式在表观遗传调控、转录调控以及转录后调控等多个层面上调控基因的表达水平。哺乳动物精子发生是一个精细调控的过程,通过雄性生殖细胞分裂和分化形成成熟精子,且精子发生受到不同阶段特异性基因表达的严格调控,而特异性基因表达又受到大量lncRNAs的调控。虽然lncRNA作为一类重要的基因表达调控因子广泛参与各类生物个体发育进程和疾病的发生,但是精子发生相关lncRNAs的报道并不多,且其生物学功能的研究有待进一步深入。因此,本文对lncRNA的起源、作用机制和在精子发生过程中调控作用的研究进展进行了总结分析。     

植物细胞器RNA编辑因子的功能及其作用机制

在植物线粒体和叶绿体转录本上,数百个胞嘧啶(C)位点经脱氨基反应变为尿嘧啶(U),这是一种在转录本水平上对遗传信息进行修饰或调控的机制。在植物细胞器中,RNA编辑过程需要不同家族的RNA编辑因子相互作用组装成复杂的编辑复合体,特异地识别编辑位点进行编辑。最初的研究发现,植物RNA编辑受到高特异性五环肽重复(pentatricopeptide repeat,PPR)蛋白的调控,目前在植物中发现400多种PPR家族蛋白,编辑作用复杂。之后对RNA编辑因子互作蛋白/多细胞器RNA编辑因子(RNA editing factor interacting proteins/multiple organellar RNA editing factors,RIP/MORF)、细胞器RNA识别基序(organelle RNA recognition motif,ORRM)、细胞器锌指蛋白(organelle zinc-finger,OZ)等的研究表明,这些非PPR蛋白组分可以与PPR蛋白形成编辑复合体,共同参与编辑,且RNA编辑复合体具有多样性。RNA编辑因子的缺失会引起植物的生长发育受阻、果实成熟延迟等,对RNA编辑因子的研究显得尤为重要。对植物中RNA编辑因子的功能及其作用机制研究进展进行综述,旨在为后续RNA编辑的研究提供一定的参考。     

植物细胞器RNA编辑因子的功能及其作用机制 *

在植物线粒体和叶绿体转录本上,数百个胞嘧啶(C)位点经脱氨基反应变为尿嘧啶(U),这是一种在转录本水平上对遗传信息进行修饰或调控的机制.在植物细胞器中,RNA编辑过程需要不同家族的RNA编辑因子相互作用组装成复杂的编辑复合体,特异地识别编辑位点进行编辑.最初的研究发现,植物RNA编辑受到高特异性五环肽重复(pentatricopeptide repeat, PPR)蛋白的调控,目前在植物中发现400多种PPR家族蛋白,编辑作用复杂.之后对RNA编辑因子互作蛋白/多细胞器RNA编辑因子(RNA editing factor interacting proteins /multiple organellar RNA editing factors,RIP/MORF),细胞器RNA识别基序(organelle RNA recognition motif,ORRM),细胞器锌指蛋白(organelle zinc-finger,OZ)等的研究表明,这些非PPR蛋白组分可以与PPR蛋白形成编辑复合体,共同参与编辑,且RNA编辑复合体具有多样性.RNA编辑因子的缺失会引起植物的生长发育受阻,果实成熟延迟等,对RNA编辑因子的研究显得尤为重要.对植物中RNA编辑因子的功能及其作用机制研究进展进行综述,旨在为后续RNA编辑的研究提供一定的参考.     

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.