與絕大多數(shù)動物一樣，人類基因組不少都來自于一種自私的DNA鏈——轉(zhuǎn)座子。這類遺傳物質(zhì)能夠在染色體不同位點間跳躍，導致基因失活甚至引發(fā)癌癥。在生殖細胞系中，轉(zhuǎn)座子的跳躍還可能導致不孕。“對于絕大多數(shù)動物來說，無法控制轉(zhuǎn)座子都會最終導致物種滅絕，”麻省大學醫(yī)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(fā)現(xiàn)于2006年，在動物生殖細胞系中它與特定蛋白一同束縛轉(zhuǎn)座子。這種蛋白- RNA的組合形成了一個分子防御系統(tǒng)，科學家們將其比作基因組的免疫系統(tǒng)。與免疫系統(tǒng)相似，piRNA系統(tǒng)能夠區(qū)分敵我，啟動應(yīng)答，并且去適應(yīng)新出現(xiàn)的入侵者。這些基因組衛(wèi)士們還能夠記住曾經(jīng)入侵的轉(zhuǎn)座子。在進化過程中piRNA的復(fù)雜性曾經(jīng)歷了爆炸式增長，科學家們認為人體內(nèi)的piRNA總共可能有數(shù)百萬種。

 

近年來，研究人員開始慢慢理解piRNA約束轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(lǐng)域開啟了令人興奮的新時代，該領(lǐng)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(tǒng)性總結(jié)和展望。

 

piRNA的發(fā)現(xiàn)piRNA的發(fā)現(xiàn)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(fā)表文章，他們在小鼠體內(nèi)發(fā)現(xiàn)了數(shù)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(lǐng)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(tǒng)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(zhuǎn)座子序列，是piRNA防御系統(tǒng)的記憶庫，piRNA依據(jù)自身序列去靶標與之匹配的轉(zhuǎn)座子。

 

這一系統(tǒng)如何識別從未遇到過的轉(zhuǎn)座子呢？它針對的正是轉(zhuǎn)座子的唯一共性，即在基因組中不斷轉(zhuǎn)移。新轉(zhuǎn)座子在基因組中跳躍，最終會落入到piRNA簇中，這時該轉(zhuǎn)座子就被加入記憶庫，系統(tǒng)也就可以產(chǎn)生相應(yīng)的piRNA來挫敗入侵者?？梢哉f每個piRNA簇都是一個陷阱，一旦轉(zhuǎn)座子落入陷阱，生物就獲得了相應(yīng)的免疫力。

 

2011年12月23日Cell雜志上發(fā)表了一項研究，研究人員給雌性果蠅引入一種新轉(zhuǎn)座子P element。由于果蠅體內(nèi)的piRNA無法控制它，這些轉(zhuǎn)座子一開始導致果蠅不孕。但隨著果蠅長大，防御系統(tǒng)漸漸控制住了P element，產(chǎn)生了大量靶標它的piRNA，使果蠅重獲產(chǎn)卵能力。

 

如果免疫系統(tǒng)將自身當作入侵者，就會導致自身免疫疾病，piRNA系統(tǒng)如何避免這一情況呢？piRNA系統(tǒng)區(qū)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(yī)學院的遺傳學家Craig Mello說，他也是2006年諾貝爾生理/醫(yī)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(tǒng)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(fā)現(xiàn)一些線蟲將這一DNA視為正常，合成GFP并發(fā)光；而一些線蟲將其視為轉(zhuǎn)座子而將該DNA關(guān)閉，不合成GFP。這種現(xiàn)象在世代間穩(wěn)定存在，即發(fā)光個體的后代持續(xù)發(fā)光，不發(fā)光個體的后態(tài)持續(xù)不發(fā)光。Mello認為外源DNA一開始能否表達存在概率，但如果系統(tǒng)接受該片段并合成了蛋白，就會始終被視為自己人。

 

攻擊轉(zhuǎn)座子一旦piRNA發(fā)現(xiàn)了入侵的轉(zhuǎn)座子，就會展開攻擊。有些piRNA親自投入戰(zhàn)爭，它們跟蹤轉(zhuǎn)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(fā)表的一篇文章，描述了piRNA征用siRNA來扼殺轉(zhuǎn)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(tǒng)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(huán)來武裝piRNA，2007年人們發(fā)現(xiàn)piRNAs和Piwi蛋白通過ping-pong環(huán)來剪切轉(zhuǎn)座子的RNA，其產(chǎn)物經(jīng)修飾后又與其他Piwi蛋白一同剪切piRNA簇的轉(zhuǎn)錄本，從而產(chǎn)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(zhuǎn)座子，piRNA會使小鼠生殖系細胞將轉(zhuǎn)座子的DNA甲基化，以阻止其轉(zhuǎn)錄。2012年11月21日Cell雜志上的一項研究發(fā)現(xiàn)，果蠅piRNA也采用了類似機制，通過組蛋白修飾來阻撓轉(zhuǎn)座子轉(zhuǎn)錄。

 

piRNA的攻擊策略可以實現(xiàn)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(nèi)的防護機制至少可以持續(xù)20代。這一點很有意義，生殖細胞系的轉(zhuǎn)座子在子代可能重新激活，因此需要對它們進行長期封鎖。

 

上一篇： 穩(wěn)定轉(zhuǎn)染VS瞬時轉(zhuǎn)染

下一篇： Cell子刊揭示鈣調(diào)信號新機制