Cell头条:大脑piRNAs

【字体: 时间:2012年04月27日 来源:生物通

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  piRNAs是动物调控基因表达的重要因子,近年来吸引了越来越多研究人员投身于这一领域进行研究,近期来自美国哥伦比亚大学的研究人员发表了题为“A Role for Neuronal piRNAs in the Epigenetic Control of Memory-Related Synaptic Plasticity”的文章,发现piRNAs能通过调控CREB环路DNA甲基化,来编码神经细胞基因组中的记忆,这无疑对于记忆形成机理研究具有重要意义。

  

生物通报道:piRNA是06年两个研究小组:冷泉港实验室Gregory Hannon研究组和纽约洛克菲勒大学Thomas Tuschl研究组,发现的数千种不同的哺乳动物小分子RNA的一个新成员——piRNAs(Piwi-interacting)。

piRNAs是动物调控基因表达的重要因子,近年来吸引了越来越多研究人员投身于这一领域进行研究,近期来自美国哥伦比亚大学的研究人员发表了题为“A Role for Neuronal piRNAs in the Epigenetic Control of Memory-Related Synaptic Plasticity”的文章,发现piRNAs能通过调控CREB环路DNA甲基化,来编码神经细胞基因组中的记忆,这无疑对于记忆形成机理研究具有重要意义。相关成果公布在4月27日Cell杂志上。

文章的通讯作者就是当年发现这种小分子RNA的科学家:Thomas Tuschl,他在这一研究领域浸浴多年,也是最先发现合成siRNA可以诱导哺乳动物体内RNAi作用的科学家之一。

2006年他与Gregory Hannon发现了piRNAs,并指出这种小RNA在小鼠精子发育中普遍存在,并起到了重要作用。piRNA是Piwi蛋白相互作用的核苷酸,在之前的发育精子研究中就发现其对于合子的形成的复杂过程中势必可少的,Tuschl认为“如果piRNAs研究趋势与microRNAs相似的话,那么生物界将会由这些从事piRNA未知领域研究的科学家们带来一股研究新浪潮。”

果然在其后几年里,piRNAs成果倍出,研究人员首先证实斑马鱼Piwi(Ziwi)在雄性和雌性生殖腺中都有表达,并且是生殖细胞特有结构nuage的一个组分。Ziwi功能的丧失会导致生殖细胞的丧失。之后又发现piRNA与另一作用因子能共同调控生殖干细胞的自我更新等。

Tuschl教授最新这篇文章则指出了piRNAs在记忆相关突触可塑性的表观遗传调控方面的作用,他们首先从海兔(Aplysia)CNS中建立了小RNA文库,并从这些文库中,发现了一个未预料到的piRNAs集,这些piRNAs长为28个核苷酸,在大脑中大量表达,这与之前认为piRNAs的生殖特异性相悖。

这些piRNAs具有独一无二的合成模式,主要定位在细胞核中,而且对于羟色胺具有强烈的灵敏度——羟色胺是记忆形成重要的调控递质。研究人员发现Piwi/piRNA复合物,在存在CREB2启动子的情况下,还有利于保守CpG岛的羟色胺依赖性甲基化,增强长时程突触。这些发现提出了一种小分子RNA介导的基因调控新机制,建立稳定的神经细胞长时程变化,促进持续性记忆形成。

不同于miRNA和siRNA,piRNA中的94%能对应到基因组中100个确定的区域(每个区域长度小于100kb)。在在这些区域里,piRNA通常只沿着基因组的一条链分布,或有时不规则地分布在两条链上,但是相互分开,而不重叠在一起,但是都没有证据表明piRNA起源于折叠的结构或双链RNA。piRNA在基因组上的位点分析表明大约2/3的piRNA序列中的每个都完美地配备单个位点,不过也一些情况下也单个位点被多个piRNA序列配备上。此外,Northern印迹分析也表明piRNA主要起源于基因组双链中的一条链。

(生物通:万纹)

原文摘要:

A Role for Neuronal piRNAs in the Epigenetic Control of Memory-Related Synaptic Plasticity

Small RNA-mediated gene regulation during development causes long-lasting changes in cellular phenotypes. To determine whether small RNAs of the adult brain can regulate memory storage, a process that requires stable and long-lasting changes in the functional state of neurons, we generated small RNA libraries from the Aplysia CNS. In these libraries, we discovered an unexpectedly abundant expression of a 28 nucleotide sized class of piRNAs in brain, which had been thought to be germline specific. These piRNAs have unique biogenesis patterns, predominant nuclear localization, and robust sensitivity to serotonin, a modulatory transmitter that is important for memory. We find that the Piwi/piRNA complex facilitates serotonin-dependent methylation of a conserved CpG island in the promoter of CREB2, the major inhibitory constraint of memory in Aplysia, leading to enhanced long-term synaptic facilitation. These findings provide a small RNA-mediated gene regulatory mechanism for establishing stable long-term changes in neurons for the persistence of memory.
 

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