Nature：重大进展!新研究揭示piRNA产生机制

2020年2月4日讯/BIOON/---在一项新的研究中，来自日本东京大学的研究人员发现了微小基因组防御者---由称为piRNA的短链RNA组成---的更多细节，这些微小基因组防御者通过保护可产生精子和卵子的生殖细胞的基因组来确保生育能力。相关研究结果于2020年1月29日在线发表在Nature期刊上，论文标题为“Zucchini consensus motifs determine the mechanism of pre-piRNA production”。

图片来自Nature, 2020, doi:10.1038/s41586-020-1966-9。 论文通讯作者、东京大学定量生物科学研究所的Yukihide Tomari教授说，“我们对piRNA的产生方式很感兴趣，这是因为这些分子是从昆虫到人类的动物用来保护它们的生殖细胞基因组的基本途径的一部分。我们知道piRNA对于生育至关重要，并且还与某些癌症有关。”

尽管科学家们认识到piRNA的至关重要性，但多重挑战使得对piRNA的研究进展缓慢而又困难。

Tomari及其研究团队发现一种称为Zucchini的蛋白将piRNA从它的较长的未成熟形式加工成较短的中间形式。随后，这种中间形式的piRNA在另一种称为Trimmer的蛋白的作用下成熟为它的功能性形式。此外，Zucchini识别的RNA序列是切割较长的piRNA未成熟形式的信号，比之前认为的要复杂得多。

piRNA产生途径

这些研究人员先是对家蚕卵巢细胞进行基因修饰，使得Trimmer无法完成piRNA成熟的最后一步，从而使得这些细胞具有大量的piRNA中间形式---piRNA前体（pre-piRNA）---以供研究。

论文共同第一作者、东京大学生化学家Natsuko Izumi说，“获得完全修饰的家蚕卵巢细胞是一项巨大的技术挑战，这是因为并不知道改变这种piRNA途径的真正作用是什么，也不知道这种基因修饰的偶然副作用是什么。”

之前其他研究小组的报道模糊了Zucchini蛋白的作用，Tomari认为这是由于在整个细胞环境中研究piRNA产生途径的内在困难造成的争议。事实上，Zucchini和Trimmer都位于细胞的“能量工厂”---线粒体---的表面上，一旦这两种蛋白被提纯出来，它们就失去了原有的特性。

在Tomari团队开发的研究“粗的细胞沉淀物（crude cell pellet）”的创新方法中，这两种蛋白可以在更天然的情形下在线粒体表面上发挥功能，这表明Zucchini确实可以切割较长的未成熟piRNA并将它转化为中间形式的pre-piRNA。此外，他们发现了Zucchini如何识别和在何处切割这些较长的未成熟piRNA。

论文共同第一作者、东京大学定量生物科学研究所研究员Keisuke Shoji解释道，“下一代测序可以产生大量的数据，但是这些数据是有意义的信号和随机噪声的混合物。最困难的任务是清理这些数据并将它们梳理成一个实验上可以检验的假设。”

经过分析，Shoji在未成熟形式的piRNA序列中发现了一个新的基序，在那里Zucchini更喜欢切割这种未成熟形式的piRNA。使用粗的细胞沉淀物开展的进一步实验证实改变这种基序可以阻止Zucchini介导的pre-piRNA正常生产。

Tomari 说，“我们吃惊地了解到，这种简单的序列特征被认为是Zucchini识别的特征，实际上却并不是必需的，Zucchini更偏好一种更复杂的基序。我们认为piRNA途径是如此复杂的原因在于piRNA是对于保护基因组免受各种入侵者序列侵袭和保护生育能力至关重要---细胞需要灵活而强大的防御系统。”

研究piRNA的创新

从历史上看，科学家们一直在努力收集足够的材料来研究piRNA途径，这是因为它通常仅在生殖细胞中有活性。

Tomari解释说，“我们过去这样做过，但是要从昆虫中切除卵巢是一项艰巨的任务。”

第一项创新发生在2009年，当时东京大学农业与环境生物学系的研究生Shinpei Kawaoka和副教授Susumu Katsuma检测到从家蚕卵巢中提取的并在实验室培养皿中培养的细胞不断地产生piRNA。

但是，关于piRNA的新发现仍然仅基于分析，而不是直接观察参与生产piRNA的分子。正常的技术是将细胞打碎，然后分析“清洁的”轻质液体部分，仅显示piRNA途径在那里不活跃。

2011年，Tomari团队与Kawaoka和Katsuma合作，进行了第二次创新。鉴于没有其他东西起作用，Kawaoka尝试分析了在生物化学中通常被丢弃的细胞部分，Tomari称之为“粗的细胞沉淀物”，它由细胞破裂后剩下的所有固体组成。Tomari说，对于现代生物学家来说，这似乎是一个疯狂的主意，但这是我们研究的关键。

随后在2016年，Izumi仔细分离了粗的细胞沉淀物中的不同成分，发现piRNA加工活性存在于线粒体表面上，这使得他们发现了长期一直在寻找的Trimmer酶的身份。