基因组卫士piRNA

By | 2013 年 1 月 11 日

来自:生物通

导读

近年来,研究人员开始慢慢理解piRNA约束转座子的机制,但人们依然不了解细胞制造piRNA的过程,也不清楚这些RNA在生殖细胞系以外还有何功能。Zamore指出,在哺乳动物中piRNA沉默转座子只是其功能的一小部分,尽管这也是人们目前唯一了解的部分。2012年前后piRNA研究领域开启了令人兴奋的新时代,该领域的重要成果纷纷登上Science、Nature、Cell等顶尖杂志。

与绝大多数动物一样,人类基因组不少都来自于一种自私的DNA链——转座子。这类遗传物质能够在染色体不同位点间跳跃,导致基因失活甚至引发癌症。在生殖细胞系中,转座子的跳跃还可能导致不孕。“对于绝大多数动物来说,无法控制转座子都会最终导致物种灭绝,”麻省大学医学院的生化遗传学家Phillip Zamore说。

正因如此,一类特殊的RNA分子(piRNA)就成了动物基因组的大英雄。piRNA发现于2006年,在动物生殖细胞系中它与特定蛋白一同束缚转座子。这种蛋白- RNA的组合形成了一个分子防御系统,科学家们将其比作基因组的免疫系统。与免疫系统相似,piRNA系统能够区分敌我,启动应答,并且去适应新出现的入侵者。这些基因组卫士们还能够记住曾经入侵的转座子。在进化过程中piRNA的复杂性曾经历了爆炸式增长,科学家们认为人体内的piRNA总共可能有数百万种。

近年来,研究人员开始慢慢理解piRNA约束转座子的机制,但人们依然不了解细胞制造piRNA的过程,也不清楚这些RNA在生殖细胞系以外还有何功能。Zamore指出,在哺乳动物中piRNA沉默转座子只是其功能的一小部分,尽管这也是人们目前唯一了解的部分。2012年前后piRNA研究领域开启了令人兴奋的新时代,该领域的重要成果纷纷登上Science、Nature、Cell等顶尖杂志。本期Science杂志就对近来的piRNA研究进行了系统性总结和展望。

piRNA的发现

piRNA的发现始于Piwi蛋白研究,该蛋白是一些动物繁衍后代所必需的。2006年Alexei Aravin和Gregory Hannon两个研究小组几乎同时在Nature和Science杂志发表文章,他们在小鼠体内发现了数千种与Piwi蛋白合作的小RNA。人们将这类RNA称为Piwi-互作RNA或piRNA。piRNA与microRNAs、siRNA有许多不同之处,Dicer酶是microRNAs和 siRNA成熟所必需的酶,但piRNA生成并不需要这种酶。此外piRNA是动物界独有的,其编码DNA呈束排列,被称为piRNA簇。piRNA簇生成piRNA的机制是该领域中的一大谜团,科学家们猜测细胞可能先对整个簇生成RNA拷贝,再将其切为piRNA片段。

侦查威胁

piRNA作为防御系统的首要职责是侦查威胁,而piRNA簇对这一功能非常重要。piRNA簇中包含有部分或完整的转座子序列,是piRNA防御系统的记忆库,piRNA依据自身序列去靶标与之匹配的转座子。

这一系统如何识别从未遇到过的转座子呢?它针对的正是转座子的唯一共性,即在基因组中不断转移。新转座子在基因组中跳跃,最终会落入到piRNA簇中,这时该转座子就被加入记忆库,系统也就可以产生相应的piRNA来挫败入侵者。可以说每个piRNA簇都是一个陷阱,一旦转座子落入陷阱,生物就获得了相应的免疫力。

2011年12月23日Cell杂志上发表了一项研究,研究人员给雌性果蝇引入一种新转座子P element。由于果蝇体内的piRNA无法控制它,这些转座子一开始导致果蝇不孕。但随着果蝇长大,防御系统渐渐控制住了P element,产生了大量靶标它的piRNA,使果蝇重获产卵能力。

如果免疫系统将自身当作入侵者,就会导致自身免疫疾病,piRNA系统如何避免这一情况呢?piRNA系统区分敌我不仅依赖序列特异性,还采用了另一种自我保护机制,麻省大学医学院的遗传学家Craig Mello说,他也是2006年诺贝尔生理/医学奖获得者。Mello团队在2012年7月6日的Cell杂志上提出了这项保护机制,他们认为piRNA系统将从未表达过的序列视为外源。

研究人员给线虫引入了一段含有GFP的DNA,发现一些线虫将这一DNA视为正常,合成GFP并发光;而一些线虫将其视为转座子而将该DNA关闭,不合成GFP。这种现象在世代间稳定存在,即发光个体的后代持续发光,不发光个体的后态持续不发光。Mello认为外源DNA一开始能否表达存在概率,但如果系统接受该片段并合成了蛋白,就会始终被视为自己人。

攻击转座子

一旦piRNA发现了入侵的转座子,就会展开攻击。有些piRNA亲自投入战争,它们跟踪转座子的RNA,让随之而来的Piwi蛋白将其剪切。有些piRNA则利用siRNA来展开攻击,2012年8月3日Science杂志上发表的一篇文章,描述了piRNA征用siRNA来扼杀转座子的过程。文章认为虽然线虫中的piRNA超过16,000种,但每个生殖细胞能用到的并不多,于是系统借助了含量极为丰富的siRNA。

果蝇、小鼠和斑马鱼能通过ping-pong扩增环来武装piRNA,2007年人们发现piRNAs和Piwi蛋白通过ping-pong环来剪切转座子的RNA,其产物经修饰后又与其他Piwi蛋白一同剪切piRNA簇的转录本,从而产生新piRNA。这一过程只会扩增在细胞中有攻击目标的piRNA。

piRNA也能攻击不活跃的转座子,piRNA会使小鼠生殖系细胞将转座子的DNA甲基化,以阻止其转录。2012年11月21日Cell杂志上的一项研究发现,果蝇piRNA也采用了类似机制,通过组蛋白修饰来阻挠转座子转录。

piRNA的攻击策略可以实现对基因组的长期防护,Mello等人在其2012年的Cell文章中指出,线虫体内的防护机制至少可以持续20代。这一点很有意义,生殖细胞系的转座子在子代可能重新激活,因此需要对它们进行长期封锁。

更多功能?

除了抵御转座子以外piRNA还具有更多功能,有科学家认为它们也能够调节基因的表达。Mello等人在2012年的Cell文章中指出,许多线虫piRNA的作用目标是自身基因而非转座子,在线虫约两万个基因中约有一千个受到piRNA的控制。他们认为这些基因可能在线虫遭遇环境压力时起作用,使生殖细胞系可以在环境艰难时抑制piRNA,启动这些基因来帮助后代应对逆境。

不过也有一些科学家对此表示怀疑,他们认为就算线虫piRNA能够沉默基因,也不意味着起他生物也有类似调控机制。因为线虫较少受到转座子困扰,它们的piRNA就有可能兼具其他功能。但在绝大多数动物中,现有证据都显示piRNA的目标是转座子而非基因。

同样存在争议的是,piRNA是否在非生殖细胞有功能。此前绝大多数科学家都认为可能性不大,因为在非生殖细胞中有siRNA控制转座子。此外,目前认为只有生殖系细胞才合成与piRNA一同起作用的Piwi蛋白。

不过2012年4月27日Cell杂志上发表了一项研究,研究人员在中枢神经系统发现了活跃的piRNA,可以帮助记忆形成。在海参Aplysia神经元中发现的这种piRNA,能够阻断CREB2蛋白的合成,而这一蛋白会抑制记忆形成。研究人员希望能够在其他生物中检验piRNA的这一功能,例如敲除小鼠或果蝇的Piwi蛋白,看是否会导致记忆丧失。

另外,让研究者们感到头疼的还有粗线期piRNA(粗线期是减数分裂的一个阶段)。近期有研究显示,小鼠体内共有超过八十万种粗线期piRNA,这些piRNA的序列不与任何转座子匹配,暗示着它们还有具有其他功能。

现在,一些研究者们正在研究这些基因组卫士是否有休息的时候,以便让物种适应环境变化。在漫长的岁月中,piRNA控制住了转座子让我们与其它动物得以生存至今。但转座子并不完全是坏事,它们也为物种带来了遗传多样性以应对自然选择。不少研究者推测,在环境恶劣时动物就会解开piRNA对转座子的束缚,引发更多的突变来加速进化。

原文:The Immune System’s Compact Genomic Counterpart



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