Science：基因组卫士piRNA如何发挥作用？

　　

生物通报道  piRNA（Piwi-interacting RNA）被称为基因组的卫士，它与特定蛋白相互作用形成分子防御系统，来捍卫基因组的稳定性。那么，piRNA究竟如何区分外源和内源的基因序列呢？芝加哥大学的研究人员近日找到答案并发表在《Science》杂志上。

piRNA是一类长度约为26-31 nt的单链RNA分子，发现于2006年。在动物生殖系统中，它与Piwi蛋白一起沉默转座子，保护基因组的稳定性，被人们称作基因组的免疫系统。与免疫系统相似，piRNA系统能够区分敌我，启动应答，并适应新的入侵者。

为了弄清楚piRNA是如何做到这一点的，研究人员此次探究了线虫（C. elegans）生殖细胞所产生的piRNA。他们还想知道线虫为何有如此大量的piRNA（超过15,000个）以及它们的功能是什么。

之前的研究发现，Piwi招募一组比较小的RNA，它们与目标序列相对应。于是，研究人员创建了一个合成的piRNA，其序列不存在于线虫中。他们发现piRNA需要与部分序列接近完全匹配，但可以容忍其余部分的一些错配。他们还发现，大量的未成对的Piwi赋予了灵活性，使其有望靶向众多的外源基因。

接下来，研究人员想鉴定piRNA如何避免假阳性。他们创建了识别线虫基因的piRNA。然而，这组piRNA并没有沉默或影响内源基因的功能，表明基因有“抵抗力”。原来，内源基因有额外的重复区域（富含A和T），以此作为“自己人”的暗号。

这项研究解释了动物如何维持生育能力。之前的研究表明，如果Piwi蛋白发生突变，则piRNA系统就无法检测将外源DNA元件注入生殖细胞系的病毒或转座子。这种改变将影响生育能力，最终导致物种灭绝。

同时，它还解决了一个困扰线虫研究人员多年的问题。当研究人员研究特定基因时，他们通常会加上一个标签，让蛋白表达时发出荧光。虽然这在许多细胞中起作用，但piRNA系统会阻断生殖细胞中这些蛋白质的生成。如今，他们能够通过小小改动，让piRNA不再起作用，但基因仍然能发挥功能。

这篇文章的通讯作用、芝加哥大学分子遗传学和细胞生物学的助理教授Heng-Chi Lee表示：“当我第一次在会议上介绍这个时，下台后有30多名科学家围着我请求帮助，现在他们可以利用我们的算法来研究他们感兴趣的目标。”（生物通 薄荷）

原文检索

The piRNA targeting rules and the resistance to piRNA silencing in endogenous genes

Science  02 Feb 2018:
Vol. 359, Issue 6375, pp. 587-592
DOI: 10.1126/science.aao2840