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。     

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。     

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。     

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在神经系统发育及神经性疾病中的作用

长链非编码RNA(long non-coding RNA,lncRNA)是一类转录本长度在200至数千个核苷酸序列,且不具有蛋白质编码潜能的非编码RNA。相较于研究较多的微小RNA（microRNA,miRNA）和干扰小RNA（small interfering,siRNA）等非编码小RNA,lncRNA的许多功能仍尚不清楚。但越来越多的研究发现,lncRNA可通过多种方式调控中枢神经系统发育,包括表观遗传组蛋白甲基化、转录辅因子调控、可变剪接调控等途经。而以上途经的异常均与多种人类重大疾病的发生密切相关,例如,阿尔兹海默症（Alzheimer’s disease,AD）、自闭症（autism spectrum disorder,ASD）、精神分裂症（schizophrenia,SZ）等。本文就lncRNA在表观遗传水平、转录水平、转录后水平和翻译水平上调控神经系统发育以及其在人类神经性疾病中的作用进行综述。     

长链非编码RNA在神经系统发育及神经性疾病中的作用北大核心CSCD

长链非编码RNA(long non-coding RNA,lncRNA)是一类转录本长度在200至数千个核苷酸序列,且不具有蛋白质编码潜能的非编码RNA。相较于研究较多的微小RNA(microRNA,miRNA)和干扰小RNA(small interfering,siRNA)等非编码小RNA,lncRNA的许多功能仍尚不清楚。但越来越多的研究发现,lncRNA可通过多种方式调控中枢神经系统发育,包括表观遗传组蛋白甲基化、转录辅因子调控、可变剪接调控等途经。而以上途经的异常均与多种人类重大疾病的发生密切相关,例如,阿尔兹海默症(Alzheimer’s disease,AD)、自闭症(autism spectrum disorder,ASD)、精神分裂症(schizophrenia,SZ)等。本文就lncRNA在表观遗传水平、转录水平、转录后水平和翻译水平上调控神经系统发育以及其在人类神经性疾病中的作用进行综述。     

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。     

长链非编码RNA与表观遗传调控

近年来,表观遗传学(epigenetics)备受关注.表观遗传调控的方式主要包括DNA甲基化、组蛋白修饰和染色质重塑等.ENCODE计划及随后的研究发现,人类基因组中仅有很小一部分DNA序列负责编码蛋白质,而其余大部分被转录为非编码RNA(non-codingRNA,ncRNA).其中长链非编码RNA(long non-codingRNA,lncRNA)是一类长度大于200nt并且缺乏蛋白质编码能力的RNA分子.越来越多的研究表明,lncRNAs能够通过表观遗传调控、转录调控以及转录后调控等多个层面调节基因的表达,从而参与细胞增殖、分化和凋亡等多种生物学过程.本文将着重综述lncRNAs在表观遗传调控中的作用及其最新的研究进展.     

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。     

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：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。     

果蝇卵巢中的piRNA发生

piR NA(Piwi-interactiing RNA)是一类长度约为24~32 nt(nucleotides)的非编码RNA.在所有的非编码RNA中,piR NA数量最多,主要存在于生殖系统.piR NA和Argonaute家族的PIWI蛋白特异结合并相互作用,piR NA的生成及其功能依赖于PIWI蛋白.piR NA序列来源于基因组的转座子、编码基因区和特异的基因间位点(intergenic loci).piR NA作为PIWI的向导调控靶基因的表达以及转录和转录后水平的修饰.在果蝇卵巢生殖细胞中,pi RNA簇的转录子转运到胞浆后经过初级加工途径形成初级piR NA,结合到Piwi和Aub上.生殖细胞的初级piR NA还会进入次级加工途径,经PIWI家族蛋白的协同、加工,使细胞中的piR NA大量扩增,称为乒乓循环("Ping-Pong"cycle),但是目前对乒乓循环的细节和具体机制还所知甚少.本文以果蝇卵巢为例主要对piR NA的生成、piR NA的初级加工途径和"乒乓循环",以及piR NA的转录沉默等方面的研究进展进行简要综述.     

RNA修饰对长链非编码RNA的调控作用

长链非编码RNA (lncRNA)能在表观遗传、转录以及转录后水平上调控基因表达,与疾病的发生、发展和防治有着密切的联系。RNA修饰介导的表观转录组学调控是表观遗传的新领域,可以在转录后水平调控基因表达,并且可以作为一种重要的修饰手段对lncRNA进行调控。RNA修饰可以通过对lncRNA表达水平、剪切方式及二级结构的调控,影响各种生物学进程。现回顾和展望RNA修饰对lncRNA的调控作用和其潜在的生物学功能。     

大鼠肝癌模型中Piwil4、Mael和Ddx4基因mRNA和蛋白表达水平及其与肿瘤检测的关系

PIWI和piRNA的表达水平与肿瘤类型密切相关。Piwil2 mRNA在肝癌中的表达量比肿瘤周围的肝脏组织的表达量高。PIWI/piRNA通路基因Piwil4、Mael和Ddx4为候选癌基因,在多种癌组织中表达,而在肝癌组织中的研究尚无报道。为探讨Piwil4、Mael和Ddx4基因在肝癌组织中表达水平变化的影响,建立了大鼠肝癌模型,并提取血清用ELISA方法检测肿瘤标记物,采用实时荧光定量PCR、蛋白质免疫印迹方法和免疫组织化学方法检测正常肝组织与模型组肝组织中Piwil4、Mael和Ddx4基因mRNA转录和蛋白表达水平。结果表明,大鼠肝癌动物模型血清中肿瘤标记物含量明显升高。Piwil4、Mael和Ddx4基因mRNA及蛋白在肝癌模型组织中高表达。研究表明,肝癌模型组织中Piwil4、Mael和Ddx4基因表达水平有望作为肝癌检测的一种分子标志物。     

非编码长链RNA与基因表达调控

近年来,在小鼠全长cDNA文库大规模测序中发现一类新的转录物——非编码长链RNA(long noncoding RNA,lncRNA),引起了科学界的关注.lncRNA长度大于200个核苷酸,无蛋白质编码功能,在真核细胞基因组中被普遍转录.lncRNA种类繁多,数量庞大,占哺乳动物基因组转录物的绝大部分.相对于研究较多的非编码小RNA,lncRNA的功能目前尚不完全清楚.但越来越多的研究发现,lncRNA在多个水平调控基因的表达,在胚胎发育、物种进化、细胞分化和某些疾病如神经退行性疾病及肿瘤的发生过程中起着重要作用.本文在简要介绍lncRNA基本概念的基础上,结合当前研究成果,就lncRNA在转录水平、转录后水平和表观遗传水平调控基因表达的机制作一综述.     

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。