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。     

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：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“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。     

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.     

昆虫RNAi通路及其核心元件的研究综述

RNAi作为分子生物学的一种重要技术,在昆虫基因功能和功能基因组研究中得到广泛应用,同时,有关昆虫RNAi的机制也受到了大家的关注。近年来的研究结果表明,昆虫RNAi的通路与其他动物相同,根据引起基因沉默的RNA分子的类型,可以分为siRNA、miRNA和piRNA 3种不同的通路。昆虫RNAi通路中的核心元件包括了:(1)行使切割作用的RNaseⅢ家族成员Drosha和Dicer;(2)用来降解目的 mRNA的Argonaute蛋白;(3)dsRNA结合蛋白Pasha、R2D2和Loquacious。了解昆虫RNAi的通路及其核心元件,有助于我们更好地理解昆虫RNAi的分子机制和改进实现RNAi的方法,对促进昆虫RNAi技术的研究及其在害虫防控中的应用具有指导意义。     

小RNA与蛋白质的相互作用

小分子调控RNA,包括siRNA（small interfering RNA）、miRNA（microRNA）和piRNA（piwiinteracting RNA）、hsRNA（heterochromatin associatedsmall RNA）等,是当前生命科学研究的前沿热点。越来越多的证据表明,这些小分子RNA存在于几乎所有较高等的真核生物细胞中,对生物体具有非常重要的调控功能。它们通过各种序列特异性的RNA基因沉默作用,包括RNA干扰（RNAi）、翻译抑制、异染色质形成等,调控诸如生长发育、应激反应、沉默转座子等各种各样的细胞进程。随着对这些小分子调控RNA的发现,一些RNascⅢ酶家族成员、Argonaute蛋白质家族成员及RNA结合蛋白质等先后被鉴定为小RNA的胞内蛋白质合作者,参与小RNA的加工成熟和在细胞内行使功能。本综述简介一些RNA沉默作用途径中重要组分的结构和功能的研究进展。     

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。     

抑制基因组转座子活性的小RNAs在生育调节中的作用

小RNAs可以在转录和转录后水平沉默转座子, 最近发现的几类小RNAs(piRNAs、endo-siRNAs)均具有抑制转座子活性的作用, 其中, 果蝇piRNAs、小鼠piRNAs、小鼠endo-siRNAs及其相关蛋白主要在生殖系表达, 说明小RNAs作用途径在生殖系转座子沉默中扮演着重要角色。最新的研究揭示了小RNAs、转座子沉默、生殖生育调节之间的联系, 然而其具体作用机制尚未得到阐明。文章综述了小RNAs对基因组转座子活性的控制及其在生育调节中的作用。     

piRNA抑制基因转座的分子机制

转座子是一类可以在染色体上或不同染色体间自由移动的DNA。在高等生物中,处于活跃状态的转座子多为通过RNA中间体进行转座的逆转录转座子。由于逆转录转座子在细胞基因组中占有很高的比例,它的频繁转座能引起细胞基因组结构和功能的改变,导致癌症等严重基因疾病的发生,因此宿主细胞在长期的进化中形成了多种自我保护机制用以控制逆转录转座子活性。属于非编码小RNA的piRNA以其独特的机制在转录及转录后水平控制逆转录转座子RNA中间体的产生,抑制了逆转录转座过程的发生。本文总结了近年来piRNA控制转座子转座相关分子机制的研究进展,以期为转座子及基因调控方面的研究工作提供一些参考。     

果蝇限制端粒转座子的分子机制

端粒是保护线性染色体末端的核酸-蛋白复合物。与常见的真核生物短重复序列组成的端粒不同,黑腹果蝇(Drosophila melanogaster)端粒DNA由反转座子组成,其转座行为被果蝇宿主严格限制在端粒,既实现延长端粒的功能,也减少转座子跳跃对基因组的损伤。但果蝇宿主是如何完成如此精确调控的机制尚不明确。目前已知的全基因组范围抑制转座子表达包括H3K9me3参与的异染色质形成途径和piRNA路径,而近期研究发现果蝇端粒保护蛋白参与端粒反转座子的特异调控。本文主要综述了端粒保护蛋白在调控端粒转座子中的具体功能。对果蝇端粒转座子调控的研究有利于更好地理解宿主与转座子协同进化的分子机制。     

RNA诱导基因沉默

RNA沉默在动植物进化中起着重要作用,具有抵抗病毒入侵、抑制转座子活动等作用,并调控蛋白编码基因的表达。该文着重对RNA沉默现象的作用机制和模式、功能及其应用前景作一综述。     

线虫体内新piRNA研究

PIWI-interacting RNAs(piRNA)是一类內源性小RNA,负责抵御转座子和转基因对基因组的入侵.已发现1.6万多种piRNA,在piRNA上游存在保守序列,根据上游序列特征可以预测新的piRNA.将线虫同步化培养至L4时期,分别提取野生和prg-1突变样本中的小RNA,并对其进行高通量测序.基于piRNA上游保守序列特征,在野生线虫L4时期中,发现了967种新piRNA,这些新piRNA在prg-1突变后表达消失.新piRNA的基因座集中分布在四号染色体的2个piRNA簇内,首位碱基以U为主.与已发表的成虫发育时期的PRG-1免疫共沉淀数据比对,发现有153种piRNA存在于与PRG-1免疫沉淀的数据中.同时还发现一些只在野生线虫中表达的non-21nt小RNA,它们与已知piRNA的基因座相同,推测这些non-21nt小RNA可能是其piRNA前体加工的产物.总之,通过小RNA测序,在线虫中发现了一些新的piRNA.     

Y1转座酶关联转座子在大肠杆菌和沙门氏菌基因组中的分布和结构特征

Y1转座酶关联转座子(Y1ATs)的活性催化位点为一个酪氨酸,能够切割和连接单链DNA,在原核生物分布广泛。为探究Y1转座酶关联转座子在大肠杆菌(Escherichia coli, E. coli)与沙门氏菌(Salmonella enterica, S. ente)基因组中系统进化特性,通过Hmmsearch程序对Y1转座酶关联转座子进行了挖掘分析。结果表明,Y1转座酶关联转座子广泛分布于96.84%大肠杆菌基因组和80.4%沙门氏菌基因组。根据序列比对和蛋白结构域预测将Y1转座酶关联转座子分为10类,均隶属于IS200/IS605超家族,其中11 645个属于IS200家族,4 811个属于IS605家族。IS200家族广泛分布于S. ente基因组中(72.24%),而IS605家族广泛分布于E. coli基因组中(89.38%)。IS200拷贝数以及完整拷贝数显著高于IS605。IS200家族仅含有一个Y1转座酶编码区,而IS605家族含两个开放阅读框,分别编码Y1转座酶和TnpB蛋白。IS200家族的Y1氨基酸序列高度保守(95.3%),而IS605家族的Y1和TnpB具有较高遗传多样性,为研究转座子在原核生物的遗传进化模式提供重要参考。IS200家族具有高度保守的Y1转座酶,且完整拷贝数比例较高,提示该类转座子可能具有转座活性,对其活性的挖掘有利于研制转座子介导的新型高效基因编辑工具。     

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。