细胞报告:研究揭示piRNAs调控新机制决定东亚飞蝗子代数量的变化

自然界中，很多动物会根据环境的变化调整自己的繁殖策略，导致后代数量不同。动物的内部因素在调节繁殖策略方面也起着重要作用，如种群密度、性别比例、亲缘关系和个体竞争等。从而影响后代的数量。后代的数量与种群的维持和动态密切相关，也是动物适应能力的重要标志。人们对这种自然现象有所了解，但不知道动物如何独立调节繁殖策略的分子机制。

蝗虫是研究依赖密度的繁殖策略的理想模型。根据种群密度，飞蝗有群居和分散两种生态型。飞蝗和飞蝗的基因型虽然相同，但繁殖策略却显著不同。高密度群居飞蝗繁殖力低，从而投入精力进行长距离迁徙寻找新的栖息地；而低密度分散的飞蝗采用较高的繁殖力产生更多的后代个体来维持种群稳定。两种飞蝗可以根据密度的变化而相互变化，繁殖策略也随之变化，从而导致产卵量的变化。东亚飞蝗适应种群密度变化并引起后代数量变化的机制是一个具有挑战性的问题。

近日，中国科学院院士、动物研究所研究员乐康团队揭示了飞蝗适应种群密度变化导致后代数量变化的分子机制。

Piwi相互作用RNA(PIR nas)是一类在动物生殖系统中特异表达的非编码小RNA。群居和散居雌性的卵巢中piRNAs的表达差异很大。东亚飞蝗较高的产卵频率与piRNAs的高表达有明显的相关性。特别是，piRNAs在分散的蝗虫小管(原生动物和卵黄发生前的卵母细胞)的顶端高度表达。在分散雌虫中抑制Piwi蛋白Liwi1、piRNAs或piRNAs的靶基因oo18 RNA结合蛋白(Orb)可降低其产卵频率和产卵量。相反，在群居雌性中过量表达piRNAs可以增加群居雌性的产卵频率和产卵量。PiRNAs通过正向调节方式影响靶基因Orb的表达。目前普遍认为Piwi/piRNAs途径的经典机制是通过抑制转座子来保证生殖系统中基因组的完整性。Piwi/piRNAs通路对蛋白质编码基因的调控已有报道，但大部分是抑制性的。

那么，飞蝗体内的这些piRNAs是如何实现蛋白质编码基因Orb转录本的正向调控的呢？发现Liwi1/piRNAs的靶标是Orb内含子中没有转座子功能的缺陷型转座子Copia。东亚飞蝗中的Liwi1/piRNAs与剪切体蛋白U2AF35相互作用，促进前体mRNA内含子的去除，导致更多Orb成熟mRNA转录本的产生，从而实现Orb在散养东亚飞蝗卵管顶端的高表达。因此，piRNAs促进Orb前体mRNA剪切的这种非经典调控模式是散蝗产卵频率高、产卵量大的关键原因(图1)。

东亚飞蝗生殖系统为什么会出现Piwi/piRNAs途径介导的前体mRNA序列特异性切割模式？利用最新的LACE-seq技术，针对微小的细胞内RNA与蛋白质之间的相互作用，发现蝗虫卵子尖端大量与卵母细胞分裂和发育密切相关的mRNA前体与Liwi1和U2AF35结合，提示这种piRNAs介导的生殖系统特殊剪切机制可能对生殖细胞的成熟至关重要。

涉及Piwi/piRNAs的前体mRNA剪切模式在动物界普遍存在吗？该研究进一步验证了Piwi蛋白和剪切体蛋白之间的相互作用，以及果蝇和小鼠生殖细胞系中piRNAs介导的mRNA剪切机制的普遍性(图2)。本研究还揭示了飞蝗Piwi/piRNAs介导的基因mRNA剪切的新机制

该研究进一步证明了piRNAs对飞蝗繁殖策略可塑性的调控机制，揭示了介导的前体mRNA剪切对繁殖功能相关基因加工的调控作用(Wei等，Genome Biology，2009)。该团队最近的另一项研究也发现，大脑中的piRNAs通过调节神经肽NPF1的表达来控制飞蝗的食物摄入(王等，报道，2022)。东亚飞蝗生殖细胞和体细胞piRNAs研究的重要进展，不仅为开发蝗灾防治方法提供了新思路，而且将东亚飞蝗发展成为研究非编码RNA的重要模式昆虫。相关研究成果在线发表在Cell Reports上，题目是Pi RNA引导的引入去除前mrnas调控密度依赖的繁殖策略。复旦大学的研究人员参与了这项研究。

图1.piRNAs促进繁殖相关基因mRNA的切割，增强飞蝗的繁殖力。