piRNA的生物功能和研究技術(shù)

朱會芹 王瑞飛

摘 要 piRNA（PIWI-interacting RNA）是近年來發(fā)現(xiàn)的一種非編碼小RNA（non-coding RNA ncRNA）。它主要在生殖細(xì)胞中表達(dá)，與生殖系統(tǒng)DNA完整性、翻譯過程、轉(zhuǎn)座子轉(zhuǎn)錄和動物生育能力的調(diào)節(jié)等有關(guān)。該文對piRNA沉默轉(zhuǎn)錄過程、piRNA芯片技術(shù)、生殖系和干細(xì)胞維護(hù)及piRNA在癌癥治療等方面的最新進(jìn)展進(jìn)行總結(jié)，并對這些方面進(jìn)行了簡單評述。

關(guān)鍵詞 piRNA；轉(zhuǎn)座子沉默；piRNA芯片；生殖系干細(xì)胞；癌癥

中圖分類號 Q81 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1674-6708（2016）162-0195-02

piRNA是近年來發(fā)現(xiàn)的一類新的非編碼小RNA，2006年，piRNA首次被科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)并于小鼠睪丸內(nèi)分離出來。piRNA由24-32個核苷酸組成，因其能與Piwi蛋白家族成員結(jié)合發(fā)生相互作用，故稱為Piwiinteracting RNAs，即piRNAs。piRNA有如下特點(diǎn)：來源于單鏈RNA前體、普遍分布在整個基因組上但具有高度的不連續(xù)性、5′端多具有尿嘧啶偏向性、多分布于動物生殖細(xì)胞和胚胎干細(xì)胞內(nèi)、多數(shù)位于基因間隔區(qū)、少數(shù)分布在基因內(nèi)含子和外顯子中。piRNA的生物功能多種多樣，主要有沉默轉(zhuǎn)座子、阻礙轉(zhuǎn)錄翻譯、調(diào)節(jié)生育能力和影響遺傳信息傳遞等。據(jù)專家統(tǒng)計，在當(dāng)今社會，每小時就會有3個物種滅絕，這在很大程度上是因?yàn)檫z傳信息傳遞失敗所致，研究piRNA的生物學(xué)特性有利于挽救瀕危物種。目前，癌癥是影響我國公共健康的主要問題，與piRNA相結(jié)合的piwi家族在有機(jī)體干細(xì)胞自我更新、配子發(fā)生和RNA干擾等生物過程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，piwi家族過表達(dá)很可能會引起生殖腫瘤形成，因此，通過調(diào)節(jié)piRNA的生物學(xué)活性可以相應(yīng)的減少癌癥的發(fā)生。本文對piRNA在沉默轉(zhuǎn)錄基因、調(diào)節(jié)翻譯、維持生殖系和干細(xì)胞及治療癌癥方面發(fā)揮的作用和piRNA芯片技術(shù)的進(jìn)展進(jìn)行綜述，以期對相關(guān)領(lǐng)域的研究人員有所幫助。

1 沉默轉(zhuǎn)錄基因和調(diào)節(jié)翻譯過程

piRNA是一種特異表達(dá)的內(nèi)源性小分子RNA，存在于果蠅、斑馬魚、哺乳動物的生殖細(xì)胞和早期胚胎中，在機(jī)體內(nèi)主要位于基因間隔區(qū)。piRNA能夠和Piwi蛋白結(jié)合發(fā)揮作用，它是由呈束狀排列的DNA序列（piRNA簇）轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生的。piRNA簇中有相應(yīng)的轉(zhuǎn)座子片段，可以促使piRNA攻擊相關(guān)轉(zhuǎn)座子，進(jìn)而沉默該轉(zhuǎn)座子的基因轉(zhuǎn)錄過程。另外，在精子形成過程中，Miwi和piRNA與帽結(jié)合復(fù)合體聯(lián)結(jié)，調(diào)節(jié)mRNA的穩(wěn)定性，影響翻譯。piRNA能夠沉默基因轉(zhuǎn)錄過程，例如，Erwin等[ 1 ]以發(fā)育不全患有D.virilis綜合癥的果蠅為研究對象，觀察到以下現(xiàn)象：轉(zhuǎn)座因子的效應(yīng)會隨著piRNA的增多而減小，不同親代在轉(zhuǎn)座因子的影響下其后代發(fā)育的情況也有很大差異，證實(shí)piRNA能夠使轉(zhuǎn)座子沉默，導(dǎo)致果蠅發(fā)育過程中部分基因的轉(zhuǎn)錄過程發(fā)生改變。Senti等[2]對果蠅卵巢中piRNA生物轉(zhuǎn)化途徑之間的相互關(guān)系進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)piRNA能使生殖細(xì)胞中的與卵子發(fā)生有關(guān)的轉(zhuǎn)座子沉默，影響原有基因的轉(zhuǎn)錄，從而影響卵子的產(chǎn)生。除此之外，piRNA能對翻譯過程進(jìn)行調(diào)節(jié)，Gou等[ 3 ]發(fā)現(xiàn)小鼠Miwi和piRNA與帽結(jié)合復(fù)合體聯(lián)結(jié)后，精子細(xì)胞中的mRNA被大規(guī)模清除，影響生殖細(xì)胞中部分mRNA的翻譯。

2 維持生殖系和干細(xì)胞功能

piRNA存在的主要場所是生殖細(xì)胞和干細(xì)胞，與Piwi亞家族蛋白結(jié)合形成piRNA復(fù)合物（piRC），目前，piRNA的功能主要是根據(jù)Piwi蛋白來推測的。Piwi有維持生殖系和干細(xì)胞的功能，Piwi亞家族主要由MIWI，MILI和MIWI2等特異蛋白組成，在精子的發(fā)育形成中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。三個特異性蛋白都出現(xiàn)在減數(shù)分裂時期，其中一個缺失，精子形成就會出現(xiàn)缺陷。小鼠MIWI2突變體和果蠅Piwi突變體的生殖細(xì)胞表型相同，證明了小鼠的MIWI2和果蠅的Piwi在維持生殖系和干細(xì)胞功能方面起著類似的作用。此外，piRNA在生殖細(xì)胞中的富集現(xiàn)象和Miwi突變種的雄性不育都體現(xiàn)出了piRNA與配子形成有關(guān)。例如，Gonzalez等[ 4 ]以果蠅為實(shí)驗(yàn)對象，發(fā)現(xiàn)果蠅睪丸中的Piwi蛋白不僅能夠維持生殖系干細(xì)胞（GSC）也能維持體細(xì)胞囊腫干細(xì)胞（CySC）的發(fā)育，另外，Piwi蛋白對生殖系干細(xì)胞有一定的調(diào)節(jié)作用。如果降低果蠅睪丸中Piwi蛋白的活性，干細(xì)胞的分化就會受阻，干細(xì)胞功能也就不能實(shí)現(xiàn)，影響睪丸中精子的形成。Pek等[5]發(fā)現(xiàn)在缺乏與piRNA沉默轉(zhuǎn)座子相關(guān)的蛋白時生殖系干細(xì)胞分裂將會被阻塞，不能順利完成分化過程。Zhao等[6]報道，piRNA與MIWI結(jié)合可以導(dǎo)致精子細(xì)胞中的泛素蛋白酶體降解。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，精細(xì)胞發(fā)育為成熟精子必須經(jīng)歷此過程，在MIWI缺失的情況下，精子將不會發(fā)育完全，因此，Miwi一旦發(fā)生突變，很可能會導(dǎo)致雄性不育現(xiàn)象的發(fā)生。

3 piRNA芯片技術(shù)

與其他非編碼小RNA相比，piRNA發(fā)現(xiàn)較晚，而且種類數(shù)目要遠(yuǎn)多于其它小分子RNA，目前，我們對piRNA的了解尚淺。由于存在的許多問題沒有解決，piRNA的分析鑒定要比siRNA和miRNA都具有挑戰(zhàn)性。隨著分子生物學(xué)技術(shù)的不斷完善，芯片測序技術(shù)越發(fā)具有實(shí)用性，因此，研究人員可以通過應(yīng)用芯片技術(shù)對piRNA的生物學(xué)功能進(jìn)行全面深入的研究。當(dāng)前科學(xué)家們已經(jīng)成功的研究出針對各種哺乳動物的piRNA芯片，可以對piRNA的表達(dá)情況進(jìn)行鑒定。例如，Busch等[7]利用微陣列芯片技術(shù)進(jìn)行測序，檢測3個piRNAs（pir-30924，pi-57125，pir–38756）在腫瘤中的表達(dá)情況，發(fā)現(xiàn)非轉(zhuǎn)移性腫瘤中pir-57125較高，而轉(zhuǎn)移性腫瘤中pir-30924和pir–38756較多，此發(fā)現(xiàn)對患者的腫瘤性質(zhì)判斷以及治療方面有很大幫助。Chu等[8]以鄰近正常組織為對照通過基因芯片技術(shù)分析piRNA在膀胱癌組織中的表達(dá)情況，發(fā)現(xiàn)106 piRNAs的表達(dá)水平上調(diào)，91piRNAs在膀胱癌組織中被抑制，其中piRNA DQ594040的顯著減少是引起膀胱癌的主要原因。Dharap等[9]應(yīng)用微陣列芯片技術(shù)分析成年老鼠大腦皮層在瞬態(tài)局部缺血狀態(tài)下的piRNAs，發(fā)現(xiàn)老鼠的105piRNAs表達(dá)方式發(fā)生改變，但部分piRNA在此狀態(tài)下是冗余的。piRNA芯片技術(shù)的應(yīng)用對piRNA自身生物功能的研究和人類疾病治療有不可替代的作用，隨著芯片技術(shù)的不斷發(fā)展，piRNA的生物起源和功能終將會被闡明。

4 展望

目前，人們對piRNA的研究已經(jīng)取得顯著進(jìn)展，了解piRNA能在多水平（維持生殖系DNA 完整、沉默轉(zhuǎn)座子轉(zhuǎn)錄過程、抑制翻譯、參與異染色質(zhì)的形成、執(zhí)行表觀遺傳調(diào)控和生殖細(xì)胞發(fā)生）對機(jī)體遺傳物質(zhì)的表達(dá)進(jìn)行調(diào)控。但由于piRNA是目前已知的種類最為繁多的非編碼小RNA，這增加了piRNA研究的難度，當(dāng)前人們對piRNAPiwi蛋白和piRNA的諸多結(jié)構(gòu)和功能信息尚不清楚，還需要更為深入全面的進(jìn)行探究。piRNA與生物遺傳和生殖發(fā)育密切相關(guān)，通過調(diào)節(jié)piRNA途徑可以影響相關(guān)動物的繁殖情況，拯救瀕危物種，進(jìn)而更好的維持物種數(shù)目。piRNA對人類的疾病防治有至關(guān)重要的作用，癌癥患者體內(nèi)的特異piRNA較正常人有明顯不同，研究患者的特異piRNA特性，有助于為癌癥治療提供某些方法手段。隨著芯片技術(shù)或高通量測序技術(shù)的快速發(fā)展，我們必將會對piRNA所具有的強(qiáng)大功能有一個更加深入和確切的認(rèn)識，進(jìn)而推動科技進(jìn)步，造福全人類。

參考文獻(xiàn)

[1]Erwin AA， Galdos MA， Wickersheim ML，et al. piRNAs Are Associated with Diverse Transgenerational Effects on Gene and Transposon Expression in a Hybrid Dysgenic Syndrome of D. virilis[J]. PLOS Genetics，2015，11（8）： e1005332.

[2] Senti KA，Jurczak D，Sachidanandam R， et al. piRNA-guided slicing of transposon transcripts enforces their transcriptional silencing via specifying the nuclear piRNA repertoire[J]. Genes& Development，2015，29（16）： 1747-1762.

[3] Gou LT， Dai P， Yang JH， et al. Pachytene piRNAs instruct massive mRNA elimination during late spermiogenesis.Cell Res，2014，24（6）： 680-700.

[4]Gonzalez J， Qi HY， Liu N， et al.Piwi Is a Key Regulator of Both Somatic and Germline Stem Cells in the Drosophila Testis[J]. Cell Rep，2015，12（1）： 150-161.

[5]Pek JW， Kai T. Non-coding RNAs enter mitosis： functions， conservation and implications[J]. Cell Division，2011，6：6.

[6]Zhao S，Gou LT，Zhang M， et al. piRNA-Triggered MIWI Ubiquitination and Removal by APC/C in Late Spermatogenesis[J].Developmental Cell，2013，24（1）：13-25.