Science細述基因組衛士piRNA的故事
日期:2013-01-08 09:43:14
與絕大多數動物一樣,人類基因組不少都來自于一種自私的DNA鏈——轉座子。這類遺傳物質能夠在染色體不同位點間跳躍,導致基因失活甚至引發癌癥。在生殖細胞系中,轉座子的跳躍還可能導致不孕。“對于絕大多數動物來說,無法控制轉座子都會最終導致物種滅絕,”麻省大學醫學院的生化遺傳學家Phillip Zamore說。
正因如此,一類特殊的RNA分子(piRNA)就成了動物基因組的大英雄。piRNA發現于2006年,在動物生殖細胞系中它與特定蛋白一同束縛轉座子。這種蛋白- RNA的組合形成了一個分子防御系統,科學家們將其比作基因組的免疫系統。與免疫系統相似,piRNA系統能夠區分敵我,啟動應答,并且去適應新出現的入侵者。這些基因組衛士們還能夠記住曾經入侵的轉座子。在進化過程中piRNA的復雜性曾經歷了爆炸式增長,科學家們認為人體內的piRNA總共可能有數百萬種。
近年來,研究人員開始慢慢理解piRNA約束轉座子的機制,但人們依然不了解細胞制造piRNA的過程,也不清楚這些RNA在生殖細胞系以外還有何功能。Zamore指出,在哺乳動物中piRNA沉默轉座子只是其功能的一小部分,盡管這也是人們目前唯一了解的部分。2012年前后piRNA研究領域開啟了令人興奮的新時代,該領域的重要成果紛紛登上Science、Nature、Cell等頂尖雜志。本期Science雜志就對近來的piRNA研究進行了系統性總結和展望。
piRNA的發現piRNA的發現始于Piwi蛋白研究,該蛋白是一些動物繁衍后代所必需的。2006年Alexei Aravin和Gregory Hannon兩個研究小組幾乎同時在Nature和Science雜志發表文章,他們在小鼠體內發現了數千種與Piwi蛋白合作的小RNA。人們將這類RNA稱為Piwi-互作RNA或piRNA。piRNA與microRNAs、siRNA有許多不同之處,Dicer酶是microRNAs和 siRNA成熟所必需的酶,但piRNA生成并不需要這種酶。此外piRNA是動物界獨有的,其編碼DNA呈束排列,被稱為piRNA簇。piRNA簇生成piRNA的機制是該領域中的一大謎團,科學家們猜測細胞可能先對整個簇生成RNA拷貝,再將其切為piRNA片段。
偵查威脅piRNA作為防御系統的首要職責是偵查威脅,而piRNA簇對這一功能非常重要。piRNA簇中包含有部分或完整的轉座子序列,是piRNA防御系統的記憶庫,piRNA依據自身序列去靶標與之匹配的轉座子。
這一系統如何識別從未遇到過的轉座子呢?它針對的正是轉座子的唯一共性,即在基因組中不斷轉移。新轉座子在基因組中跳躍,最終會落入到piRNA簇中,這時該轉座子就被加入記憶庫,系統也就可以產生相應的piRNA來挫敗入侵者。可以說每個piRNA簇都是一個陷阱,一旦轉座子落入陷阱,生物就獲得了相應的免疫力。
2011年12月23日Cell雜志上發表了一項研究,研究人員給雌性果蠅引入一種新轉座子P element。由于果蠅體內的piRNA無法控制它,這些轉座子一開始導致果蠅不孕。但隨著果蠅長大,防御系統漸漸控制住了P element,產生了大量靶標它的piRNA,使果蠅重獲產卵能力。
如果免疫系統將自身當作入侵者,就會導致自身免疫疾病,piRNA系統如何避免這一情況呢?piRNA系統區分敵我不僅依賴序列特異性,還采用了另一種自我保護機制,麻省大學醫學院的遺傳學家Craig Mello說,他也是2006年諾貝爾生理/醫學獎獲得者。Mello團隊在2012年7月6日的Cell雜志上提出了這項保護機制,他們認為piRNA系統將從未表達過的序列視為外源。
研究人員給線蟲引入了一段含有GFP的DNA,發現一些線蟲將這一DNA視為正常,合成GFP并發光;而一些線蟲將其視為轉座子而將該DNA關閉,不合成GFP。這種現象在世代間穩定存在,即發光個體的后代持續發光,不發光個體的后態持續不發光。Mello認為外源DNA一開始能否表達存在概率,但如果系統接受該片段并合成了蛋白,就會始終被視為自己人。
攻擊轉座子一旦piRNA發現了入侵的轉座子,就會展開攻擊。有些piRNA親自投入戰爭,它們跟蹤轉座子的RNA,讓隨之而來的Piwi蛋白將其剪切。有些piRNA則利用siRNA來展開攻擊,2012年8月3日Science雜志上發表的一篇文章,描述了piRNA征用siRNA來扼殺轉座子的過程。文章認為雖然線蟲中的piRNA超過16,000種,但每個生殖細胞能用到的并不多,于是系統借助了含量極為豐富的siRNA。
果蠅、小鼠和斑馬魚能通過ping-pong擴增環來武裝piRNA,2007年人們發現piRNAs和Piwi蛋白通過ping-pong環來剪切轉座子的RNA,其產物經修飾后又與其他Piwi蛋白一同剪切piRNA簇的轉錄本,從而產生新piRNA。這一過程只會擴增在細胞中有攻擊目標的piRNA。
piRNA也能攻擊不活躍的轉座子,piRNA會使小鼠生殖系細胞將轉座子的DNA甲基化,以阻止其轉錄。2012年11月21日Cell雜志上的一項研究發現,果蠅piRNA也采用了類似機制,通過組蛋白修飾來阻撓轉座子轉錄。
piRNA的攻擊策略可以實現對基因組的長期防護,Mello等人在其2012年的Cell文章中指出,線蟲體內的防護機制至少可以持續20代。這一點很有意義,生殖細胞系的轉座子在子代可能重新激活,因此需要對它們進行長期封鎖。
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