piRNA研究風雲再起——衛星序列來源的piRNA調控伊蚊胚胎髮育

piRNA是近年來新發現的主要表達在生殖細胞中的一類小RNA分子，通過與PIWI家族蛋白相互作用形成PIWI/piRNA複合物，在抑制轉座子的轉錄以及維持生殖細胞基因組完整性的過程中發揮重要作用。事實上，越來越多的研究表明，piRNA和PIWI蛋白除了在生殖系統中調控生殖細胞的發育之外，在其他的組織器官中也可能具有重要的生物學功能【1】。

衛星重複序列(Satellite repeats)是真核細胞中一類高度重複序列DNA，約佔人類基因組的10%。目前已知的是，衛星重複序列既可以直接編碼蛋白也可以通過產生siRNA來調控異染色質的形成和完整性【2】。總的來說，衛星序列在基因組中的功能很大程度上仍是不清楚的。

2020年4月1日，來自荷蘭拉德堡德大學醫學中心的Ronald P.van Rij教授團隊在Nature

首先，通過分析埃及伊蚊(Ae.aegypti)生殖細胞和體細胞的小RNA，作者發現：與果蠅的piRNAs主要存在於生殖細胞不同的是，埃及伊蚊衛星序列來源的piRNAs在體細胞中高度富集。同時，作者注意到其中2條體細胞中富集的小RNA源於一個功能未知基因—AAEL017385 的3'UTR區域的重複序列，長度分別為30和29nt，並且對β-elimination不敏感。這說明這2條小RNA 在3'末端存在2'-O-甲基化，符合與PIWI蛋白結合的piRNA特徵，因此作者給它們分別命名為tapiR1和tapiR2。

那麼與tapiR1和tapiR2結合的PIWI蛋白是誰呢？伊蚊基因組共編碼了7個PIWI蛋白(piwi2-piwi7和Ago3)【3】。通過免疫共沉澱實驗，作者發現tapiR1和tapiR2與Piwi4存在相互作用，並且這一結論在Piwi4敲低之後得到了進一步驗證。這說明tapiR1和tapiR2的確是可以與PIWI蛋白結合的piRNA。

與piRNA類似，衛星序列進化速度非常快，因此在不同物種之間具有很大的差異，甚至具有物種特異性。然而，作者發現tapiR1和tapiR2在庫蚊亞科(Culcinae)中具有很高的保守性，提示著這兩個piRNA可能具有非常重要的生理功能。為了找到tapiR1和tapiR2的反式作用位點，作者首先用Luciferase reporter 系統去驗證了針對tapiR1和tapiR2的反義寡核苷酸的特異性，緊接著，作者利用RNA-seq檢測了tapiR1的反義寡核苷酸處理之後全基因的表達量。結果表明134個基因的表達量顯著上調，而tapiR2的反義寡核苷酸處理則不會改變tapiR1靶向基因的表達量。這些結果表明tapiR1的確可以直接和有效地調控基因的表達，並且是以序列特異性的方式來實現。

接下來要回答的問題是tapiR1和tapiR2究竟發揮什麼樣的生理功能？之前的研究表明衛星序列表達量在不同的發育階段是不同的【4】，因此作者考察了在埃及伊蚊胚胎髮育不同時期tapiR1和tapiR2的表達量。作者發現在胚胎髮育的前3h（合子基因組激活之前，這一階段主要是母本的基因組行使功能）檢測不到tapiR1和tapiR2的表達，但在此後的生命的各個階段均有表達。事實上，在胚胎的發育過程中需要經歷母本信息的清除和合子基因組的激活(Maternal-to-zygotic transition)，而這一轉變過程在之前被認為是合子表達的miRNA所調控【5】。考慮到tapiR1的表達與母本信息的清除具有很強的同步性，因此作者猜測tapiR1是否也參與到母本信息的清除過程。為了驗證這一猜想，作者在囊胚層前的胚胎中注入tapiR1的反義寡核苷酸，與對照組相比，90%的胚胎早期發育陷入停滯，並且只有很少部分的胚胎能成功孵化，這說明tapiR1缺失的確會導致胚胎髮育異常。通過RNA測序，作者發現tapiR1缺失會導致胚胎的基因轉錄組的失調，RT-PCR結果也證明之前預測到的tapiR1靶基因的轉錄水平顯著上調。這些結果統統說明tapiR1的確可以直接在體內靶向到目標基因並調控它們的轉錄水平，並且這一過程對於胚胎髮育十分關鍵。的確，在胚胎髮育的過程中，隨著tapiR1表達的上調，其靶基因的轉錄水平是不斷下降的，而這些靶基因很大程度都是母本提供的。因此，tapiR1介導了母本信息向合子信息轉化過程中母本信息的清除過程。

最後，總結一下：Ronald P.van Rij教授的工作實際上是第一次揭示了衛星序列的轉錄產物---piRNA，以反式調控的方式沉默序列特異的基因，這一發現有助於我們進一步揭開基因組中衛星序列的神秘面紗。

原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41586-020-2159-2

參考文獻

1. Li F, Yuan P, Rao M, Jin CH, Tang W, Rong YF, Hu YP, Zhang F, Wei T, Yin Q, Liang T, Wu L, Li J, Li D, Liu Y, Lou W, Zhao S, Liu MF. piRNA-independent Function of PIWIL1 as a Co-activator for Anaphase Promoting Complex/Cyclosome to Drive Pancreatic Cancer Metastasis. Nat Cell Biol. 2020, March 16.

2. Garrido-Ramos, M. A. Satellite DNA: an evolving topic. Genes 8, 230 (2017)。

3. Miesen, P., Joosten, J. & van Rij, R. P. PIWIs go viral: arbovirus-derived piRNAs in vector mosquitoes.PLoS Pathog. 12, e1006017 (2016).

4. Ugarkovic, D. Functional elements residing within satellite DNAs. EMBO Rep. 6, 1035–1039 (2005).

5. Vastenhouw, N. L., Cao, W. X. & Lipshitz, H. D. The maternal-to-zygotic transition revisited.

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