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。     

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。     

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。     

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。     

光棘球海胆seali基因克隆及表达特性分析

seali基因隶属于PIWI超家族,其编码的RNA结合蛋白在生殖细胞发育过程中发挥重要作用。研究经同源比对从光棘球海胆(Mesocentrotus nudus)性腺转录组数据库中筛选得到seali基因片段,随后通过cDNA末端快速扩增技术(Rapid amplification of cDNA ends, RACE),获得其全长cDNA序列。光棘球海胆seali基因cDNA全长3462 bp,其中3′UTR长度为416 bp, 5′UTR长度为180 bp,其中3′UTR的加尾信号并非经典的AAUAAA或AUUAAA,而是较少见的AAUACA。开放阅读框(Open Reading Frame, ORF)2862 bp,编码954个氨基酸,具有保守的PIWI和PAZ结构域,多重序列比对和系统进化分析结果表明其属于Argonaute家族的PIWI亚家族成员。荧光定量PCR技术检测结果表明, Mnseali基因在光棘球海胆性腺、肠、管足和体腔细胞中均有表达,在性腺中表达量最高。此外, Mnseali基因为母源因子,在整个胚胎发育时期均有表达。在卵巢中,随着卵母细胞的成熟, Mnseali的表...     

中华鳖boule基因在生殖细胞中的表达分析

boule基因为DAZ基因家族成员之一,是动物生殖细胞特异表达基因。在哺乳动物中,boule基因的缺失会引起精子生成障碍而导致雄性不育。在无脊椎动物秀丽线虫(Caenorhabditis elegans)中,boule基因同源物的缺失会引起其卵子发生障碍而导致雌性不育。龟鳖动物是最古老的爬行类,是从无羊膜卵到羊膜卵动物飞跃的过渡物种。相比于哺乳类及一些无脊椎动物,目前关于龟鳖动物生殖细胞发育模式的研究还非常有限。因此,本文以中华鳖(Pelodiscus sinensis)为研究对象,以期揭示boule基因对龟鳖动物生殖细胞发育分化的调控作用。首先,利用特异引物克隆获得中华鳖boule基因的cDNA序列,共1 005 bp,其中,3′端非编码区57 bp,开放阅读框948 bp,共编码315个氨基酸。氨基酸序列多重比对分析显示,中华鳖与绿海龟(Chelonia mydas)同源性最高,达92%,与小鼠(Mus musculus)的同源性达83%,与果蝇(Drosophila melanogaster)的同源性达53%,与青鳉(Oryzias latipes)的同源性达42%。反转录实时定量PCR(RT-qPCR)分析结果显示,中华鳖boulem RNA主要在性腺组织精巢和卵巢中表达,而在其他体细胞组织中几乎检测不到表达。原位杂交结果显示,中华鳖boule m RNA在两性生殖细胞中特异表达,且在不同分化时期的生殖细胞中呈动态表达。在精巢中,boule m RNA在初级精母细胞中表达最强,在精原细胞和次级精母细胞中表达较弱,在精子细胞和精子中难以检测到表达信号;在卵巢中,boule mRNA在初级卵母细胞中表达信号最强且信号在初级卵母细胞胞质中均匀分布,生殖细胞发育进入卵母细胞生长期后,信号开始聚集在核周胞质,随着卵母细胞的成熟,信号逐渐变弱。本研究结果表明,boule基因可能在中华鳖两性生殖细胞的减数分裂过程中均具有重要的调控作用。     

vasa基因研究进展

DEAD-box家族基因编码一类ATP依赖的RNA解旋酶。经系统进化分析可将该家族蛋白分为VASA、PL10和p68三个亚家族。其中,vasa基因最先在果蝇(Drosophila melanogaster)中被发现,在许多动物中都已经克隆得到其同源基因,研究显示,vasa基因在生殖细胞系中特异性表达,在许多生物中为生殖细胞形成和配子发生所需。有趣的是在果蝇中VASA蛋白是生殖质的组成部分,而在斑马鱼(Danio rerio)中vasa mRNA才是生殖质的组成部分。本文主要综述了vasa基因及其蛋白的结构、功能、表达和作为原生殖细胞分子标记物的应用等方面的内容,并展望了其研究前景。     

与生物体发育相关的非编码RNA及其作用机理

非编码RNA是一类没有开放阅读框、不能翻译成为蛋自质的RNA分子。在哺乳动物中,它们主要是指微小RNA、小干扰RNA、PIWI互作RNA和其他一些反义转录本等。它们在生物体内广泛存在,通过RNA干扰、基因沉默、基因印迹和DNA甲基化等机制调控着基因的表达。非编码RNA增加了真核细胞调控网络的复杂性,也为科学地解释一些现象提供了新的途径。     

解读AGO蛋白结构及其功能

RNA沉默是由小RNA特异向导和RNA诱导的沉默复合物（RISC）切割或者抑制靶标mRNA翻译的一种调控系统. 作为RISC的核心成分,AGO蛋白(argonaute proteins)由N末端、PAZ、MID和PIWI 4个结构域组成. PAZ区能非序列特异性识别结合双链小RNA 3′末端悬垂的2个核苷酸,MID与PIWI界面处的“保守口袋”识别结合小RNA 5′端第1位核苷酸,PIWI区具有切割mRNA的催化中心. 根据系统进化学分析,AGO蛋白家族分为3个组：AGO like、PIWI-like和GROUP3. 拟南芥共编码10种AGO蛋白.目前已经证实,具有切割活性的为AtAGO1、AtAGO4和AtAGO7,三者参与的小RNA通路也已得到确认. 在拟南芥10种AGO蛋白中,AtAGO1与AtAGO10、AtAGO1与AtAGO7、AtAGO4与AtAGO6存在功能上的部分冗余.     

Nanos3与生殖细胞发育分化

小鼠Nanos3基因是果蝇Nanos的同源基因,是Nanos基因家族的一员. Nanos3是一种RNA结合蛋白,靠近其C端有两个非常保守且连续的Cys-Cys-His-Cys特异锌指结构域.研究显 示,Nanos3在小鼠生殖细胞中特异表达,不仅在原始生殖细胞（primordial germ cells, PGCs）的维持方面发挥重要作用,而且是一种启动雄性生殖细胞分化程序的内源性因子, 其在精子发生中的重要作用已引起越来越多的关注.探讨Nanos3的生物学功能,有助于了解生殖细胞发育过程中的部分重要机制.本文就Nanos3维持生殖细胞更新和原始生殖细胞的 维持等作用作一综述.     

硬骨鱼中vasa基因的研究

vasa基因编码一个DEAD-box家族的ATP依赖性RNA解旋酶,最早在果蝇中发现.在绝大多数的脊椎动物和非脊椎动物中,vasa基因的杂交信号仅在生殖细胞系中特异性表达,因此它可以作为一种分子标签,广泛用于性腺发生、配子发生、原生殖细胞(primordial germ cells,PGCs)的起源、迁移、分化等方面的研究.综述了国内外有关硬骨鱼类vasa基因结构,表达与功能等方面的研究报道,并对其应用前景作了展望.     

果蝇精子发生研究进展

果蝇精子发生是一个极为复杂的分化过程,受可育基因的控制。Y染色体上lampbrushloop是一组研究得较为深入的可育基因。在初级精母细胞时期,loop处于活跃转录状态,终产物为具有特异二级结构、大小与loop相当的RNA分子。这些RNA分子不具有编码蛋白质的特性,但却结合有大量的蛋白质分子。推测loop的主要功能是聚集精子发生过程中所需要的特异的蛋白质分子。     

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．     

利用转录组数据鉴定和分析小鼠非编码RNA

基因转录表达是一个复杂、精确并具有时空特异性的过程.目前对转录组的研究主要集中在蛋白编码基因上.近几年,一个新的转录组研究工具—大规模并行c DNA测序技术(RNA-seq)为更深入地研究转录组带来了希望.利用RNA-seq数据,鉴定出大量的非编码RNA,特别是lincRNA,并且发现这些非编码RNA是多个生物学过程中重要的调控因子.利用深度测序获得的15个小鼠组织RNA-seq数据探索非编码RNA在小鼠不同组织中的多样性和动态变化.依据自定的标准,在这15个组织中共鉴定出16249个非编码基因(对应21569个非编码RNA).研究这些非编码RNA的多种特征,可以发现与蛋白编码基因相比,非编码RNA通常比较短,外显子个数少,表达量低,组织特异性强.而且,这些非编码RNA有明显的转录起始和转录延伸信号(H3K4me3,H3K27me3,H3K36me3修饰,RNAPⅡ结合位点以及CAGE)的富集.基因集富集分析结果表明,lincRNA与多个生物学过程相关,如免疫反应、肌肉发育和有性生殖等.本研究提供了更加全面的对小鼠非编码RNA的注释信息,为小鼠非编码RNA的功能和进化研究奠定了基础.     

Argonaute蛋白质在miRNA基因调控中的作用

miRNA(microRNA)是一类长约22 nt,具有调控功能的内源性非编码小RNA。成熟miRNA由RNA聚合酶II/III转录的初级转录物经过一系列酶剪切加工产生,最终与Argonaute蛋白质等复合为沉默效应复合物(RNA-induced silencing complex,RISC)。miRNA通过与靶基因完全或部分序列互补配对,指导RISC对靶基因进行降解或翻译抑制。Argonaute作为RISC的主要效应蛋白,在miRNA的生成及靶基因的调控过程中起着重要作用。该文综述了Argonaute在miRNA介导的基因调控中的作用,以期有助于miRNA调控网络的研究及机制的阐释。     

中华鳖vasa基因克隆及在卵母细胞中的表达分析

研究利用中华鳖为研究模型进行爬行类生殖细胞发育分化成熟等生物学研究,克隆了中华鳖vasa基因的cDNA序列,全长3865 bp,包括5'端非编码区90 bp,3'端非编码区1699 bp,开放阅读框长2076 bp,共编码691个氨基酸。中华鳖Vasa氨基酸序列包含DEAD-box家族蛋白8个保守保守功能域,在N末端有4个RGG重复序列和2个GG富集区,与小鼠Vasa蛋白的同源性较高（72%）。荧光定量PCR的结果表明,中华鳖vasa mRNA主要精巢和卵巢中表达,其他体组织中均难检测到表达。卵巢冰冻切片原位杂交结果显示:中华鳖vasa mRNA在生殖细胞中特异表达;在卵子发生过程中的不同发育期卵母细胞中呈现动态的变化。即vasa mRNA在初级卵母细胞及生长期卵母细胞中表达最强,且均匀分布在细胞质中,随着卵母细胞的逐渐增大,信号逐渐减弱,直至在成熟的卵母细胞中几乎检测不到表达信号,说明vasa可能在中华鳖早期卵母细胞发育中起重要作用。同时,vasa基因可作为中华鳖生殖细胞分子标记物,根据其mRNA的表达水平来鉴别不同发育时期的卵母细胞。研究结果为进一步开展中华鳖胚胎生殖细胞发育及配子生成,特别是研究中华鳖,乃至爬行类原始生殖细胞（Primordial Germ Cells,PGCs）的起源、迁移、分化等研究奠定了基础。     

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。