與絕大多數(shù)動(dòng)物一樣,，人類基因組不少都來自于一種自私的DNA鏈——轉(zhuǎn)座子,。這類遺傳物質(zhì)能夠在染色體不同位點(diǎn)間跳躍,，導(dǎo)致基因失活甚至引發(fā)癌癥,。在生殖細(xì)胞系中,，轉(zhuǎn)座子的跳躍還可能導(dǎo)致不孕。“對(duì)于絕大多數(shù)動(dòng)物來說,，無法控制轉(zhuǎn)座子都會(huì)最終導(dǎo)致物種滅絕,，”麻省大學(xué)醫(yī)學(xué)院的生化遺傳學(xué)家Phillip Zamore說。
正因如此,，一類特殊的RNA分子（piRNA）就成了動(dòng)物基因組的大英雄,。piRNA發(fā)現(xiàn)于2006年,，在動(dòng)物生殖細(xì)胞系中它與特定蛋白一同束縛轉(zhuǎn)座子。這種蛋白- RNA的組合形成了一個(gè)分子防御系統(tǒng),，科學(xué)家們將其比作基因組的免疫系統(tǒng)。與免疫系統(tǒng)相似,，piRNA系統(tǒng)能夠區(qū)分?jǐn)澄?，啟?dòng)應(yīng)答，并且去適應(yīng)新出現(xiàn)的入侵者,。這些基因組衛(wèi)士們還能夠記住曾經(jīng)入侵的轉(zhuǎn)座子,。在進(jìn)化過程中piRNA的復(fù)雜性曾經(jīng)歷了爆炸式增長(zhǎng)，科學(xué)家們認(rèn)為人體內(nèi)的piRNA總共可能有數(shù)百萬種,。
近年來,，研究人員開始慢慢理解piRNA約束轉(zhuǎn)座子的機(jī)制，但人們依然不了解細(xì)胞制造piRNA的過程,，也不清楚這些RNA在生殖細(xì)胞系以外還有何功能,。Zamore指出，在哺乳動(dòng)物中piRNA沉默轉(zhuǎn)座子只是其功能的一小部分,，盡管這也是人們目前唯一了解的部分,。2012年前后piRNA研究領(lǐng)域開啟了令人興奮的新時(shí)代，該領(lǐng)域的重要成果紛紛登上Science,、Nature,、Cell等頂尖雜志。本期Science雜志就對(duì)近來的piRNA研究進(jìn)行了系統(tǒng)性總結(jié)和展望,。
piRNA的發(fā)現(xiàn)
piRNA的發(fā)現(xiàn)始于Piwi蛋白研究,，該蛋白是一些動(dòng)物繁衍后代所必需的。2006年Alexei Aravin和Gregory Hannon兩個(gè)研究小組幾乎同時(shí)在Nature和Science雜志發(fā)表文章,，他們?cè)谛∈篌w內(nèi)發(fā)現(xiàn)了數(shù)千種與Piwi蛋白合作的小RNA,。人們將這類RNA稱為Piwi-互作RNA或piRNA。piRNA與microRNAs,、siRNA有許多不同之處,，Dicer酶是microRNAs和 siRNA成熟所必需的酶，但piRNA生成并不需要這種酶,。此外piRNA是動(dòng)物界獨(dú)有的,，其編碼DNA呈束排列，被稱為piRNA簇,。piRNA簇生成piRNA的機(jī)制是該領(lǐng)域中的一大謎團(tuán),，科學(xué)家們猜測(cè)細(xì)胞可能先對(duì)整個(gè)簇生成RNA拷貝，再將其切為piRNA片段,。
偵查威脅
piRNA作為防御系統(tǒng)的首要職責(zé)是偵查威脅,，而piRNA簇對(duì)這一功能非常重要,。piRNA簇中包含有部分或完整的轉(zhuǎn)座子序列，是piRNA防御系統(tǒng)的記憶庫(kù),，piRNA依據(jù)自身序列去靶標(biāo)與之匹配的轉(zhuǎn)座子,。
這一系統(tǒng)如何識(shí)別從未遇到過的轉(zhuǎn)座子呢？它針對(duì)的正是轉(zhuǎn)座子的唯一共性,，即在基因組中不斷轉(zhuǎn)移,。新轉(zhuǎn)座子在基因組中跳躍，最終會(huì)落入到piRNA簇中,，這時(shí)該轉(zhuǎn)座子就被加入記憶庫(kù),，系統(tǒng)也就可以產(chǎn)生相應(yīng)的piRNA來挫敗入侵者?？梢哉f每個(gè)piRNA簇都是一個(gè)陷阱,，一旦轉(zhuǎn)座子落入陷阱，生物就獲得了相應(yīng)的免疫力,。
2011年12月23日Cell雜志上發(fā)表了一項(xiàng)研究,，研究人員給雌性果蠅引入一種新轉(zhuǎn)座子P element。由于果蠅體內(nèi)的piRNA無法控制它,，這些轉(zhuǎn)座子一開始導(dǎo)致果蠅不孕,。但隨著果蠅長(zhǎng)大，防御系統(tǒng)漸漸控制住了P element,，產(chǎn)生了大量靶標(biāo)它的piRNA,，使果蠅重獲產(chǎn)卵能力。
如果免疫系統(tǒng)將自身當(dāng)作入侵者,，就會(huì)導(dǎo)致自身免疫疾病,，piRNA系統(tǒng)如何避免這一情況呢？piRNA系統(tǒng)區(qū)分?jǐn)澄也粌H依賴序列特異性,，還采用了另一種自我保護(hù)機(jī)制,，麻省大學(xué)醫(yī)學(xué)院的遺傳學(xué)家Craig Mello說，他也是2006年諾貝爾生理/醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)獲得者,。Mello團(tuán)隊(duì)在2012年7月6日的Cell雜志上提出了這項(xiàng)保護(hù)機(jī)制,，他們認(rèn)為piRNA系統(tǒng)將從未表達(dá)過的序列視為外源。
研究人員給線蟲引入了一段含有GFP的DNA,，發(fā)現(xiàn)一些線蟲將這一DNA視為正常,，合成GFP并發(fā)光；而一些線蟲將其視為轉(zhuǎn)座子而將該DNA關(guān)閉,，不合成GFP,。這種現(xiàn)象在世代間穩(wěn)定存在，即發(fā)光個(gè)體的后代持續(xù)發(fā)光,，不發(fā)光個(gè)體的后態(tài)持續(xù)不發(fā)光,。Mello認(rèn)為外源DNA一開始能否表達(dá)存在概率,，但如果系統(tǒng)接受該片段并合成了蛋白，就會(huì)始終被視為自己人,。
攻擊轉(zhuǎn)座子
一旦piRNA發(fā)現(xiàn)了入侵的轉(zhuǎn)座子,，就會(huì)展開攻擊。有些piRNA親自投入戰(zhàn)爭(zhēng),，它們跟蹤轉(zhuǎn)座子的RNA,，讓隨之而來的Piwi蛋白將其剪切。有些piRNA則利用siRNA來展開攻擊,，2012年8月3日Science雜志上發(fā)表的一篇文章，描述了piRNA征用siRNA來扼殺轉(zhuǎn)座子的過程,。文章認(rèn)為雖然線蟲中的piRNA超過16,000種,，但每個(gè)生殖細(xì)胞能用到的并不多，于是系統(tǒng)借助了含量極為豐富的siRNA,。
果蠅,、小鼠和斑馬魚能通過ping-pong擴(kuò)增環(huán)來武裝piRNA，2007年人們發(fā)現(xiàn)piRNAs和Piwi蛋白通過ping-pong環(huán)來剪切轉(zhuǎn)座子的RNA,，其產(chǎn)物經(jīng)修飾后又與其他Piwi蛋白一同剪切piRNA簇的轉(zhuǎn)錄本,，從而產(chǎn)生新piRNA。這一過程只會(huì)擴(kuò)增在細(xì)胞中有攻擊目標(biāo)的piRNA,。
piRNA也能攻擊不活躍的轉(zhuǎn)座子,，piRNA會(huì)使小鼠生殖系細(xì)胞將轉(zhuǎn)座子的DNA甲基化，以阻止其轉(zhuǎn)錄,。2012年11月21日Cell雜志上的一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn),，果蠅piRNA也采用了類似機(jī)制，通過組蛋白修飾來阻撓轉(zhuǎn)座子轉(zhuǎn)錄,。
piRNA的攻擊策略可以實(shí)現(xiàn)對(duì)基因組的長(zhǎng)期防護(hù),，Mello等人在其2012年的Cell文章中指出，線蟲體內(nèi)的防護(hù)機(jī)制至少可以持續(xù)20代,。這一點(diǎn)很有意義,，生殖細(xì)胞系的轉(zhuǎn)座子在子代可能重新激活，因此需要對(duì)它們進(jìn)行長(zhǎng)期封鎖,。
更多功能,？
除了抵御轉(zhuǎn)座子以外piRNA還具有更多功能，有科學(xué)家認(rèn)為它們也能夠調(diào)節(jié)基因的表達(dá),。Mello等人在2012年的Cell文章中指出,，許多線蟲piRNA的作用目標(biāo)是自身基因而非轉(zhuǎn)座子，在線蟲約兩萬個(gè)基因中約有一千個(gè)受到piRNA的控制,。他們認(rèn)為這些基因可能在線蟲遭遇環(huán)境壓力時(shí)起作用,，使生殖細(xì)胞系可以在環(huán)境艱難時(shí)抑制piRNA,，啟動(dòng)這些基因來幫助后代應(yīng)對(duì)逆境。
不過也有一些科學(xué)家對(duì)此表示懷疑,，他們認(rèn)為就算線蟲piRNA能夠沉默基因,，也不意味著起他生物也有類似調(diào)控機(jī)制。因?yàn)榫€蟲較少受到轉(zhuǎn)座子困擾,，它們的piRNA就有可能兼具其他功能,。但在絕大多數(shù)動(dòng)物中，現(xiàn)有證據(jù)都顯示piRNA的目標(biāo)是轉(zhuǎn)座子而非基因,。
同樣存在爭(zhēng)議的是,，piRNA是否在非生殖細(xì)胞有功能。此前絕大多數(shù)科學(xué)家都認(rèn)為可能性不大,，因?yàn)樵诜巧臣?xì)胞中有siRNA控制轉(zhuǎn)座子,。此外，目前認(rèn)為只有生殖系細(xì)胞才合成與piRNA一同起作用的Piwi蛋白,。
不過2012年4月27日Cell雜志上發(fā)表了一項(xiàng)研究,，研究人員在中樞神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)了活躍的piRNA，可以幫助記憶形成,。在海參Aplysia神經(jīng)元中發(fā)現(xiàn)的這種piRNA,，能夠阻斷CREB2蛋白的合成，而這一蛋白會(huì)抑制記憶形成,。研究人員希望能夠在其他生物中檢驗(yàn)piRNA的這一功能,，例如敲除小鼠或果蠅的Piwi蛋白，看是否會(huì)導(dǎo)致記憶喪失,。
另外,，讓研究者們感到頭疼的還有粗線期piRNA（粗線期是減數(shù)分裂的一個(gè)階段）。近期有研究顯示,，小鼠體內(nèi)共有超過八十萬種粗線期piRNA,，這些piRNA的序列不與任何轉(zhuǎn)座子匹配，暗示著它們還有具有其他功能,。
現(xiàn)在,，一些研究者們正在研究這些基因組衛(wèi)士是否有休息的時(shí)候，以便讓物種適應(yīng)環(huán)境變化,。在漫長(zhǎng)的歲月中,，piRNA控制住了轉(zhuǎn)座子讓我們與其它動(dòng)物得以生存至今。但轉(zhuǎn)座子并不完全是壞事,，它們也為物種帶來了遺傳多樣性以應(yīng)對(duì)自然選擇,。不少研究者推測(cè)，在環(huán)境惡劣時(shí)動(dòng)物就會(huì)解開piRNA對(duì)轉(zhuǎn)座子的束縛,，引發(fā)更多的突變來加速進(jìn)化,。(生物谷Bioon.com)
DOI: 10.1126/science.339.6115.25
PMC:
PMID:
The Immune System's Compact Genomic Counterpart
Mitch Leslie
Much of the human genome derives from self-serving DNA strands known as transposons. These genetic gypsies often jump to new chromosome locations, sometimes disabling genes and even triggering cancer. For that reason, a specialized group of RNA molecules known as piRNAs are the superheroes of animal genomes. piRNAs team up with certain proteins to shackle transposons in animal germline cells, creating a molecular defense that scientists liken to an immune system for the genome
