Science：重大突破！揭示piRNA建立安全系統保護基因組機制

　　數以千計的具有不同核苷酸序列的短RNA分子起著安全衛士的作用，能夠識別和沉默侵入基因組的企圖，比如病毒或被稱為轉座子的寄生元件插入到宿主基因組中的DNA。

　　這些不同的小RNA分子，被稱為與Piwi蛋白相互作用的RNA（Piwi-interacting RNA, piRNA），是由各種動物（如從昆蟲、線蟲到小鼠和人類等哺乳動物）產生的。在一項新的研究中，來自芝加哥大學的研究人員描述了piRNA如何發現外源基因序列并讓它們沉默。他們還展示了內源性的或著說“自我”的基因如何避免接受這種額外的檢測。相關研究結果發表在2018年2月2日的Science期刊上，論文標題為“The piRNA targeting rules and the resistance to piRNA silencing in endogenous genes”。

圖片來自Jordan Brown, UChicago

　　論文通信作者、芝加哥大學分子遺傳學與細胞生物學助理教授Heng-Chi Lee博士說，“幾乎所有的動物都含有這些小RNA，并且利用它們作為尋找靶序列和讓它們沉默的向導。但是在此之前，它們的功能還是很神秘的，而且也不知道為何存在這么多不同的核苷酸序列。”

　　大海撈針 信使RNA（mRNA）執行DNA中編碼的指令，從而產生在身體中執行必需功能的蛋白。在這項新的研究中，Lee和他的同事們研究了秀麗隱桿線蟲的生殖系統細胞產生的piRNA。

　　作為一類小RNA，piRNA與細胞中所謂的Argonaute蛋白結合，用于尋找靶RNA并將它關閉。RNA是堿基A、C、G和U組成的。一些小RNA需要與靶序列精確地匹配才能識別它們。其他的小RNA能夠對部分匹配的基因進行標記。

　　科學家們并不確定piRNA如何精確地找到它們的靶標，這部分上是因為存在很多piRNA。比如，Lee研究的秀麗隱桿線蟲含有15000多個具有不同核苷酸序列的piRNA。他想知道為什么會有這么多？它們的作用是什么？

　　Lee說，“人們真地不清楚細胞為何必須產生如此多的piRNA。它們是如此地多樣化以至于很難知道是哪一個piRNA識別哪一個靶RNA。這種關系太復雜了。”

　　當蛋白Piwi識別到它們的靶RNA時，它們招募一系列更小的與靶位點上的序列相對應的次級RNA，這是一種對靶位點進行標記來吸引注意力的方法。知道了這一點，Lee和他的團隊利用在秀麗隱桿線蟲中不存在的序列構建出合成piRNA，并追蹤它在何處產生它的標記物。隨后，通過研究這種合成piRNA標記的不同序列，他們就能夠找出它發現匹配靶標的機制。

　　結果證明piRNA與靶序列的一部分非常密切地匹配，但是它們能夠容忍這種靶序列的其余部分存在幾個不匹配的地方。在這種線蟲中似乎還有很多不配對的Piwi，因此這給它們提供了一個具有很多許多可能的序列組合的工具箱來識別外源的RNA并將其關閉。

　　避免誤報

　　但是，它們如何避免誤報，或錯誤地識別內源性的“自我”基因呢？為了找到答案，Lee和他的同事設計出更多的能識別幾個已知的屬于線蟲基因組的基因的piRNA。但是這組piRNA并沒有沉默或影響這些內源性基因的功能，這意味著這些內源性基因在某種程度上具有抵抗力。

　　這些研究人員還發現許多內源性基因有額外的將它們標記為“自我的”而非外源的A和T核苷酸重復片段。這一許可信號可作為識別基因的證書和顯示它的所屬piRNA系統的護照。

　　Lee說，“我們證實內源性基因能夠利用一種許可系統抵抗piRNA系統，這真的很酷。它們所要做的就是利用‘自我’信號標記它們自己。”

　　這項研究揭示了一種能夠影響動物生育的基本機制。之前的研究已表明如果Piwi基因發生突變，那么piRNA系統就會發生功能故障。然后，如果病毒或轉座子將外源DNA元件注入生殖細胞系，或者說產生卵子和精子的生殖細胞，那么piRNA就不能夠檢測并沉默它們。這些未被檢測到的變化能夠導致不孕癥和生殖系統中的其他問題。

　　多年來一個困擾著生物學家的實際障礙

　　這項研究還解決了一種幾十年來困擾著線蟲科學家的技術問題。當人們想要研究一個特定的基因時，他們通常會做一些微小的修改，因此一種產生熒光的特殊蛋白標簽就能夠附著到他們感興趣的基因產生的蛋白上。這在大多數細胞類型中工作良好，但是在生殖細胞系中，piRNA系統發現這些基因改變，并關閉這種熒光標簽的產生。

　　Lee和他的團隊展示了科學家們如何能夠防止這種情況發生。通過編輯piRNA所識別的位點就足夠了，就再也找不到它們了，但是基因仍然以相同的方式起作用。科學家們還可以將這些相同的自我許可信號插入到非編碼DNA區域，從而使得這些變化看起來屬于內源性基因。這些技術也將允許科學家們利用CRISPR-Cas9基因編輯系統追蹤生殖系變化。

　　Lee說，“當我第一次在大會上提出這個問題時，在我的發言結束之后，我被大約30名向我請教的科學家圍住，因此他們能夠利用我們的算法研究他們自己喜歡的生殖細胞中的靶標。它解決了過去20年來一直困擾著線蟲生物學家的一個非常實際的障礙。”