來自杜克大學醫(yī)學院細胞生物學系,，耶魯大學醫(yī)學院耶魯干細胞中心及細胞生物學系的研究人員發(fā)現(xiàn)了不同于已知的表觀遺傳沉默中的Piwi和RNA介導的沉默途徑的功能——他們識別出了果蠅中12,903個piRNAs（Piwi-interacting RNAs ）,，并描述了其特征，首次提出piRNAs在基因功能調控方面扮演著重要角色,。這一研究成果公布在《自然》雜志上。
領導此次研究的是杜克大學最年輕的一位終身教授,，去年被聘為耶魯大學干細胞項目主任的林海帆教授,，其早年畢業(yè)于復旦大學,，為首屆復旦獎學金得主。之后于康奈爾大學攻讀博士,，期間開辟了一個與導師研究方向截然不同的課題,，由此發(fā)現(xiàn)第一個啟動胚胎細胞分裂的基因。這些研究成果被廣泛報道,。1994年獲9所大學聘請任教,，受聘于杜克大學。多次回國學術交流,，在中國科學院,、北京大學、清華大學,、復旦大學,、廈門大學、上海第二醫(yī)科大學訪問講學,。曾受朱镕基總理等國家領導人接見,，2006年8月又入選浙江省的“為國服務十大杰出海外留學人士”。
2006年,，冷泉港實驗室及洛克菲勒大學的研究人員發(fā)表在6月4日的《自然》網絡版上提出了piRNAs的概念,，他們發(fā)現(xiàn)了數(shù)千種不同的哺乳動物小分子RNA的一個新成員——piRNAs（Piwi-interacting RNAs），該種小RNA在小鼠精子發(fā)育中普遍存在,，并起到了重要作用,。
緊接著林海帆教授領導的研究小組發(fā)現(xiàn)了在精子形成（spermiogenesis）過程中大量表達的非編碼小RNA——PIWI-interacting RNAs (piRNAs)，這說明在胞質核蛋白（cytosolic ribonucleoprotein）和多核糖體片段（polysomal fractions）中MIWI與piRNAs,，以及mRNA有關聯(lián),。這些研究成果陸續(xù)發(fā)表在美國國家科學院院刊（PNAS）及《當代生物學》（Current Biology）上。
細胞間期核中染色質可分為異染色質（heterochromatin）和常染色質（euchromatin）,。常染色質是進行活躍轉錄的部位,，呈疏松的環(huán)狀，電鏡下表現(xiàn)為淺染,；易被核酸酶在一些敏感的位點（hypersensitive sites）降解,。異染色質的特點是：在間期核中處于凝縮狀態(tài)，無轉錄活性,，也叫非活動染色質(inactive chromatin),；是遺傳惰性區(qū)；在細胞周期中表現(xiàn)為晚復制,、早凝縮,，即異固縮現(xiàn)象(heteropycnosis)。
在異染色質中包含了大量富集轉座子（transposon）和高度重復的序列,，研究發(fā)現(xiàn)果蠅異染色質組成和轉錄沉默與Piwi（P-element induced wimpy testis）,，以及重復siRNA（repeat-associated small interfering RNAs ,，rasiRNAs）相關。但是rasiRNA表達中的Piwi的作用,，和異染色質沉默的功能仍然不得而知,。
在這篇文章中，研究人員識別出了果蠅中12,903個Piwi作用RNAs（Piwi-interacting RNAs,，piRNAs）,，并描述了其特征，認為rasiRNAs屬于piRNAs的一個亞集,。同時研究人員也發(fā)現(xiàn)Piwi能促進染色體3的右臂上次尾端（subtelomeric）異染色質（也稱為端粒相關序列,，TAS，即全稱為3R-TAS）上常染色質組蛋白修飾,，以及piRNA的轉錄,。
林表示，“這對于干細胞維持自我更新是十分重要的,，這些小RNAs也許能為研究干細胞的行為，以及其它疾病相關的生物過程提供新的工具,。”
進一步研究發(fā)現(xiàn)piwi突變型中3R-TAS失去了常染色體組蛋白修飾,，而且3R-TAS1 piRNA和3R-TAS上一種whiter受體基因的表達也受到了抑制。而P element插入到3R-TAS1piRNA編碼序列下游的128堿基對位置則可以逆轉3R-TAS的常染色體組蛋白修飾,，以及piwi突變型中3R-TAS1piRNA的表達,。
這些研究說明Piwi促進了3R-TAS異染色質中常染色質特性，以及其轉錄活性,，這不同于已知的表觀遺傳沉默中的Piwi和RNA介導的沉默途徑的功能,，研究人員也指出這些活性功能也許是通過3R-TAS1piRNA相互作用獲得，而且對于生殖干細胞（germline stem-cell）的維持是必要的,。
林認為,，“這項發(fā)現(xiàn)揭示了piRNAs，以及垃圾DNA在干細胞分裂過程中起著令人驚訝的作用”,，“鞭策生物學家尋找隱藏在占基因組99%的垃圾DNA后的秘密,。”
原始出處:
Nature advance online publication 21 October 2007 | doi:10.1038/nature06263; Received 28 May 2007; Accepted 17 September 2007; Published online 21 October 2007
An epigenetic activation role of Piwi and a Piwi-associated piRNA in Drosophila melanogaster
Hang Yin1,2 & Haifan Lin1,2
Department of Cell Biology, Duke University Medical School, Durham, North Carolina 27710, USA
Yale Stem Cell Center and Department of Cell Biology, Yale University School of Medicine, New Haven, Connecticut 06509, USA
Correspondence to: Haifan Lin1,2 Correspondence and requests for materials should be addressed to H.L. (Email: [email protected]).
Heterochromatin, representing the silenced state of transcription, consists largely of transposon-enriched and highly repetitive sequences. Implicated in heterochromatin formation and transcriptional silencing in Drosophila are Piwi (P-element induced wimpy testis)1, 2 and repeat-associated small interfering RNAs (rasiRNAs)3, 4, 5. Despite this, the role of Piwi in rasiRNA expression and heterochromatic silencing remains unknown. Here we report the identification and characterization of 12,903 Piwi-interacting RNAs (piRNAs) in Drosophila, showing that rasiRNAs represent a subset of piRNAs. We also show that Piwi promotes euchromatic histone modifications and piRNA transcription in subtelomeric heterochromatin (also known as telomere-associated sequence, or TAS), on the right arm of chromosome 3 (3R-TAS). Piwi binds to 3R-TAS and a piRNA uniquely mapped to 3R-TAS (3R-TAS1 piRNA). In piwi mutants, 3R-TAS loses euchromatic histone modifications yet accumulates heterochromatic histone modifications and Heterochromatin Protein 1a (HP1a). Furthermore, the expression of both the 3R-TAS1 piRNA and a white reporter gene in 3R-TAS becomes suppressed. A P element inserted 128 base pairs downstream of the 3R-TAS1 piRNA coding sequence restores the euchromatic histone modifications of 3R-TAS and the expression of 3R-TAS1 piRNA in piwi mutants, as well as partly rescuing their defects in germline stem-cell maintenance. These observations suggest that Piwi promotes the euchromatic character of 3R-TAS heterochromatin and its transcriptional activity, opposite to the known roles of Piwi and the RNA-mediated interference pathway in epigenetic silencing. This activating function is probably achieved through interaction with at least 3R-TAS1 piRNA and is essential for germline stem-cell maintenance.
