Nature：重大進展！新研究揭示piRNA產生機制

來源：作者：人氣：-發表時間：2020-02-05 09:14:00【大中小】

在一項新的研究中，來自日本東京大學的研究人員發現了微小基因組防御者---由稱為piRNA的短鏈RNA組成---的更多細節，這些微小基因組防御者通過保護可產生精子和卵子的生殖細胞的基因組來確保生育能力。相關研究結果于2020年1月29日在線發表在Nature期刊上，論文標題為“Zucchini consensus motifs determine the mechanism of pre-piRNA production”。

Zucchini蛋白將piRNA從較長的未成熟形式加工成較短的中間形式
圖片來自Nature, 2020, doi:10.1038/s41586-020-1966-9

論文通訊作者、東京大學定量生物科學研究所的Yukihide Tomari教授說，“我們對piRNA的產生方式很感興趣，這是因為這些分子是從昆蟲到人類的動物用來保護它們的生殖細胞基因組的基本途徑的一部分。我們知道piRNA對于生育至關重要，并且還與某些癌癥有關。”

盡管科學家們認識到piRNA的至關重要性，但多重挑戰使得對piRNA的研究進展緩慢而又困難。

Tomari及其研究團隊發現一種稱為Zucchini的蛋白將piRNA從它的較長的未成熟形式加工成較短的中間形式。隨后，這種中間形式的piRNA在另一種稱為Trimmer的蛋白的作用下成熟為它的功能性形式。此外，Zucchini識別的RNA序列是切割較長的piRNA未成熟形式的信號，比之前認為的要復雜得多。

piRNA產生途徑

這些研究人員先是對家蠶卵巢細胞進行基因修飾，使得Trimmer無法完成piRNA成熟的最后一步，從而使得這些細胞具有大量的piRNA中間形式---piRNA前體（pre-piRNA）---以供研究。

論文共同第一作者、東京大學生化學家Natsuko Izumi說，“獲得完全修飾的家蠶卵巢細胞是一項巨大的技術挑戰，這是因為并不知道改變這種piRNA途徑的真正作用是什么，也不知道這種基因修飾的偶然副作用是什么。”

之前其他研究小組的報道模糊了Zucchini蛋白的作用，Tomari認為這是由于在整個細胞環境中研究piRNA產生途徑的內在困難造成的爭議。事實上，Zucchini和Trimmer都位于細胞的“能量工廠”---線粒體---的表面上，一旦這兩種蛋白被提純出來，它們就失去了原有的特性。

在Tomari團隊開發的研究“粗的細胞沉淀物（crude cell pellet）”的創新方法中，這兩種蛋白可以在更天然的情形下在線粒體表面上發揮功能，這表明Zucchini確實可以切割較長的未成熟piRNA并將它轉化為中間形式的pre-piRNA。此外，他們發現了Zucchini如何識別和在何處切割這些較長的未成熟piRNA。

論文共同第一作者、東京大學定量生物科學研究所研究員Keisuke Shoji解釋道，“下一代測序可以產生大量的數據，但是這些數據是有意義的信號和隨機噪聲的混合物。最困難的任務是清理這些數據并將它們梳理成一個實驗上可以檢驗的假設。”

經過分析，Shoji在未成熟形式的piRNA序列中發現了一個新的基序，在那里Zucchini更喜歡切割這種未成熟形式的piRNA。使用粗的細胞沉淀物開展的進一步實驗證實改變這種基序可以阻止Zucchini介導的pre-piRNA正常生產。

Tomari 說，“我們吃驚地了解到，這種簡單的序列特征被認為是Zucchini識別的特征，實際上卻并不是必需的，Zucchini更偏好一種更復雜的基序。我們認為piRNA途徑是如此復雜的原因在于piRNA是對于保護基因組免受各種入侵者序列侵襲和保護生育能力至關重要---細胞需要靈活而強大的防御系統。”

研究piRNA的創新

從歷史上看，科學家們一直在努力收集足夠的材料來研究piRNA途徑，這是因為它通常僅在生殖細胞中有活性。

Tomari解釋說，“我們過去這樣做過，但是要從昆蟲中切除卵巢是一項艱巨的任務。”

第一項創新發生在2009年，當時東京大學農業與環境生物學系的研究生Shinpei Kawaoka和副教授Susumu Katsuma檢測到從家蠶卵巢中提取的并在實驗室培養皿中培養的細胞不斷地產生piRNA。

但是，關于piRNA的新發現仍然僅基于遺傳分析，而不是直接觀察參與生產piRNA的分子。正常的技術是將細胞打碎，然后分析“清潔的”輕質液體部分，僅顯示piRNA途徑在那里不活躍。

2011年，Tomari團隊與Kawaoka和Katsuma合作，進行了第二次創新。鑒于沒有其他東西起作用，Kawaoka嘗試分析了在生物化學中通常被丟棄的細胞部分，Tomari稱之為“粗的細胞沉淀物”，它由細胞破裂后剩下的所有固體組成。Tomari說，對于現代生物學家來說，這似乎是一個瘋狂的主意，但這是我們研究的關鍵。

隨后在2016年，Izumi仔細分離了粗的細胞沉淀物中的不同成分，發現piRNA加工活性存在于線粒體表面上，這使得他們發現了長期一直在尋找的Trimmer酶的身份。

自有了這些創新以來，Tomari團隊一直在努力詳細地確定piRNA產生途徑，并計劃繼續描述piRNA途徑的早期階段和晚期階段。

參考資料：

1.Natsuko Izumi et al. Zucchini consensus motifs determine the mechanism of pre-piRNA production. Nature, 2020, doi:10.1038/s41586-020-1966-9.

2.Understanding how cells defend their genome against invaders
https://phys.org/news/2020-01-cells-defend-genome-invaders.html