RNA研究先驱Nature获piRNA突破性新发现

来自冷泉港实验室的科学家们取得重要进展，了解保护动物基因组防止称作转座子的潜在危险遗传元件这一过程的最早期步骤。如果失去控制，这些基因组寄生物可能会肆意泛滥，导致不育。在这篇文章中，Hannon和Joshua-Tor联手借助在生殖细胞中生成的一类称作Piwi-interacting RNA (piRNA)的基因组卫士来详细探查了这一过程。

　　

生物通报道 来自冷泉港实验室的科学家们取得重要进展，了解保护动物基因组防止称作转座子的潜在危险遗传元件这一过程的最早期步骤。如果失去控制，这些基因组寄生物可能会肆意泛滥，导致不育。

冷泉港实验室的Gregory J. Hannon教授和Leemor Joshua-Tor共同领导了这一研究。Hannon教授是小RNA研究领域的先驱，曾主编了冷泉港实验室技术手册：《MicroRNA研究方法》等。结构生物学家Joshua-Tor在结构生物学领域所获成果颇丰，她曾与清华大学施一公教授是同年选上HHMI研究员。

在这篇文章中，Hannon和Joshua-Tor联手借助在生殖细胞中生成的一类称作Piwi-interacting RNA (piRNA)的基因组卫士来详细探查了这一过程。

piRNAs是26-31个核苷酸长度，结合一类称为PIWIs的生殖特异性蛋白结合的小RNA分子。两者一起形成一种称作RISC（RNA诱导沉默复合体）的分子沉默机器，其以极高的效率靶向基因组寄生物。RISC阻止寄生序列激活，由此防止它们随后扩增以及再插入到生殖细胞基因组中。如果失去或破坏piRNA控制，活跃的移动元件会随意插入到生殖细胞基因组中导致突变、严重的染色体异常，并最终导致不孕。

然而当前科学家们对于piRNA的生物合成——这些特异分子沉默子生成的方式仍不是很清楚。在实验中，Hannon实验室的博士后研究人员Astrid D. Haase和Joshua-Tor实验室的Jonathan J. Ipsaro研究了从前发现与piRNAs生物合成有关的Zucchini蛋白。其目的是详解它在生物合成过程中的确切作用。

在以往的果蝇研究中，Haase、Hannon以及其他人证实当Zucchini不表达时，作为功能性piRNAs前体的单链RNAs会在生殖细胞中累积。这表明Zucchini是piRNA生物合成的必要条件，然而对于这一机制的分子基础还不是清楚。

Haase 解释说：“从我们的研究工作中我们知道了在初期加工步骤中Zucchini功能，在这一步骤中长的piRNA前体分子被切割为较短的片段。如果正常起作用，这种切割至少需要有一种核酸内切酶（具有非常特异性特征的酶）。

研究小组知道Zucchini（它在小鼠中的类似物称作小鼠Zucchini，从前称作PLD6/MitoPLD）属于一种称作磷酸二酯酶的酶家族。这一家族包括许多的成员，它们或是充当磷脂酶，裂解磷脂分子，或是作为核酸酶，切割核酸链。有人怀疑，但却不确定，果蝇和小鼠一样，Zucchini蛋白是一种核酸酶，可特异性裂解核酸（DNA和RNA）核苷酸亚单位间的联结。

在最新的Nature文章中，研究小组报告了生物化学分析的结果证实mZuc不具有磷脂酶活性，它实际上具有核酸酶活性。

Ipsaro和Joshua-Tor进行了结构复分析支持了这一发现，并阐明了mZuc作用的分子基础。通过X射线晶体学，研究人员发现mZuc蛋白结合位点的形状与它的核酸酶身份相一致。对各种磷酸二酯酶家族不同成员进行结构比较支持了这一发现。

“基于这一数据，我们提出Zucchini蛋白实际上是一种核酸酶，其功能是将初级的piRNA转录物加工成较短的片段。这是功能性piRNA生物合成的第一个关键步骤，”Ipsaro 和 Haase报告说。

（生物通：何嫱）

生物通推荐原文摘要：

The structural biochemistry of Zucchini implicates it as a nuclease in piRNA biogenesis

PIWI-family proteins and their associated small RNAs (piRNAs) act in an evolutionarily conserved innate immune mechanism to provide essential protection for germ-cell genomes against the activity of mobile genetic elements1. piRNA populations comprise a molecular definition of transposons, which permits them to distinguish transposons from host genes and selectively silence them. piRNAs can be generated in two distinct ways, forming either primary or secondary piRNAs. Primary piRNAs come from discrete genomic loci, termed piRNA clusters, and seem to be derived from long, single-stranded precursors2. The biogenesis of primary piRNAs involves at least two nucleolytic steps. An unknown enzyme cleaves piRNA cluster transcripts to generate monophosphorylated piRNA 5′ ends. piRNA 3′ ends are probably formed by exonucleolytic trimming, after a piRNA precursor is loaded into its PIWI partner……