来源：BioArt
撰文 | 胡小话piRNA是近年来新发现的主要表达在生殖细胞中的一类小RNA分子，通过与PIWI家族蛋白相互作用形成PIWI/piRNA复合物，在抑制转座子的转录以及维持生殖细胞基因组完整性的过程中发挥重要作用。事实上，越来越多的研究表明，piRNA和PIWI蛋白除了在生殖系统中调控生殖细胞的发育之外（详见BioArt报道：【专家点评】刘默芳组Cell首次揭示Piwi突变导致男性不育的分子机理丨BioArt特别推荐；Cell | 刘默芳/周宇/施惠娟合作揭示精子细胞中翻译和蛋白质合成的新调控机制），在其他的组织器官中也可能具有重要的生物学功能(详见BioArt报道：Nat Cell Bio| 刘默芳团队揭示PIWI家族蛋白促进胰腺癌转移的机制)【1】。
卫星重复序列(Satellite repeats)是真核细胞中一类高度重复序列DNA，约占人类基因组的10%。目前已知的是，卫星重复序列既可以直接编码蛋白也可以通过产生siRNA来调控异染色质的形成和完整性【2】。总的来说，卫星序列在基因组中的功能很大程度上仍是不清楚的。
2020年4月1日，来自荷兰拉德堡德大学医学中心的Ronald P.van Rij教授团队在Nature上发表了题为A satellite repeat-derived piRNA controls embryonic development of Aedes的研究成果，报道了基因组中的卫星序列以反式调控的形式，通过产生piRNs来沉默相关基因的表达，调控伊蚊的胚胎发育。
首先，通过分析埃及伊蚊(Ae.aegypti)生殖细胞和体细胞的小RNA，作者发现：与果蝇的piRNAs主要存在于生殖细胞不同的是，埃及伊蚊卫星序列来源的piRNAs在体细胞中高度富集。同时，作者注意到其中2条体细胞中富集的小RNA源于一个功能未知基因—AAEL017385 的3‘UTR区域的重复序列，长度分别为30和29nt，并且对β-elimination不敏感。这说明这2条小RNA 在3’末端存在2‘-O-甲基化，符合与PIWI蛋白结合的piRNA特征，因此作者给它们分别命名为tapiR1和tapiR2。
那么与tapiR1和tapiR2结合的PIWI蛋白是谁呢？伊蚊基因组共编码了7个PIWI蛋白(piwi2-piwi7和Ago3)【3】。通过免疫共沉淀实验，作者发现tapiR1和tapiR2与Piwi4存在相互作用，并且这一结论在Piwi4敲低之后得到了进一步验证。这说明tapiR1和tapiR2的确是可以与PIWI蛋白结合的piRNA。
与piRNA类似，卫星序列进化速度非常快，因此在不同物种之间具有很大的差异，甚至具有物种特异性。然而，作者发现tapiR1和tapiR2在库蚊亚科(Culcinae)中具有很高的保守性，提示着这两个piRNA可能具有非常重要的生理功能。为了找到tapiR1和tapiR2的反式作用位点，作者首先用Luciferase reporter 系统去验证了针对tapiR1和tapiR2的反义寡核苷酸的特异性，紧接着，作者利用RNA-seq检测了tapiR1的反义寡核苷酸处理之后全基因的表达量。结果表明134个基因的表达量显著上调，而tapiR2的反义寡核苷酸处理则不会改变tapiR1靶向基因的表达量。这些结果表明tapiR1的确可以直接和有效地调控基因的表达，并且是以序列特异性的方式来实现。
接下来要回答的问题是tapiR1和tapiR2究竟发挥什么样的生理功能？之前的研究表明卫星序列表达量在不同的发育阶段是不同的【4】，因此作者考察了在埃及伊蚊胚胎发育不同时期tapiR1和tapiR2的表达量。作者发现在胚胎发育的前3h（合子基因组激活之前，这一阶段主要是母本的基因组行使功能）检测不到tapiR1和tapiR2的表达，但在此后的生命的各个阶段均有表达。事实上，在胚胎的发育过程中需要经历母本信息的清除和合子基因组的激活(Maternal-to-zygotic transition)，而这一转变过程在之前被认为是合子表达的miRNA所调控【5】。考虑到tapiR1的表达与母本信息的清除具有很强的同步性，因此作者猜测tapiR1是否也参与到母本信息的清除过程。为了验证这一猜想，作者在囊胚层前的胚胎中注入tapiR1的反义寡核苷酸，与对照组相比，90%的胚胎早期发育陷入停滞，并且只有很少部分的胚胎能成功孵化，这说明tapiR1缺失的确会导致胚胎发育异常。通过RNA测序，作者发现tapiR1缺失会导致胚胎的基因转录组的失调，RT-PCR结果也证明之前预测到的tapiR1靶基因的转录水平显著上调。这些结果统统说明tapiR1的确可以直接在体内靶向到目标基因并调控它们的转录水平，并且这一过程对于胚胎发育十分关键。的确，在胚胎发育的过程中，随着tapiR1表达的上调，其靶基因的转录水平是不断下降的，而这些靶基因很大程度都是母本提供的。因此，tapiR1介导了母本信息向合子信息转化过程中母本信息的清除过程。
最后，总结一下：Ronald P.van Rij教授的工作实际上是第一次揭示了卫星序列的转录产物---piRNA，以反式调控的方式沉默序列特异的基因，这一发现有助于我们进一步揭开基因组中卫星序列的神秘面纱。
原文链接：https://doi.org/10.1038/s41586-020-2159-2
参考文献
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.Development 146, dev161471 (2019).
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