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1、piRNA的生物功能和研究技术- 生物论文piRNA 的生物功能和研究技术摘 要 piRNA（PIWI-interacting RNA）是近年来发现的一种非编码小RNA（ non-coding RNA ncRNA ）。它主要在生殖细胞中表达，与生殖系统 DNA 完整性、翻译过程、转座子转录和动物生育能力的调节等有关。该文对 piRNA 沉默转录过程、 piRNA 芯片技术、生殖系和干细胞维护及piRNA 在癌症治疗等方面的最新进展进行总结，并对这些方面进行了简单评述。关键词 piRNA ；转座子沉默； piRNA 芯片；生殖系干细胞；癌症中图分类号Q81文献标识码A文章编号1674-6708（
2、2016 ）162-0195-02piRNA是近年来发现的一类新的非编码小RNA ，2006年， piRNA首次被科学家们发现并于小鼠睾丸内分离出来。piRNA 由 24-32 个核苷酸组成，因其能与 Piwi 蛋白家族成员结合发生相互作用，故称为Piwiinteracting RNAs，即 piRNAs 。piRNA 有如下特点：来源于单链RNA 前体、普遍分布在整个基因组上但具有高度的不连续性、5 端多具有尿嘧啶偏向性、多分布于动物生殖细胞和胚胎干细胞内、多数位于基因间隔区、少数分布在基因内含子和外显子中。piRNA的生物功能多种多样，主要有沉默转座子、阻碍转录翻译、调节生育能力和影响遗传
3、信息传递等。 据专家统计，在当今社会， 每小时就会有 3 个物种灭绝，这在很大程度上是因为遗传信息传递失败所致，研究piRNA的生物学特性有利于挽救濒危物种。目前，癌症是影响我国公共健康的主要问题，与piRNA相结合的 piwi家族在有机体干细胞自我更新、配子发生和RNA 干扰等生物过程中发挥着关键作用， piwi家族过表达很可能会引起生殖肿瘤形成，因此，通过调节 piRNA的生物学活性可以相应的减少癌症的发生。本文对piRNA在沉默转录基因、调节翻译、维持生殖系和干细胞及治疗癌症方面发挥的作用和piRNA 芯片技术的进展进行综述，以期对相关领域的研究人员有所帮助。1 沉默转录基因和调节翻译过
4、程piRNA是一种特异表达的内源性小分子RNA ，存在于果蝇、斑马鱼、哺乳动物的生殖细胞和早期胚胎中，在机体内主要位于基因间隔区。 piRNA 能够和 Piwi 蛋白结合发挥作用，它是由呈束状排列的 DNA 序列（ piRNA 簇）转录产生的。 piRNA 簇中有相应的转座子片段，可以促使piRNA 攻击相关转座子，进而沉默该转座子的基因转录过程。另外，在精子形成过程中，Miwi 和 piRNA与帽结合复合体联结，调节mRNA 的稳定性，影响翻译。 piRNA 能够沉默基因转录过程，例如， Erwin 等 1 以发育不全患有 D.virilis 综合症的果蝇为研究对象，观察到以下现象：转座因子
5、的效应会随着 piRNA 的增多而减小，不同亲代在转座因子的影响下其后代发育的情况也有很大差异，证实 piRNA 能够使转座子沉默，导致果蝇发育过程中部分基因的转录过程发生改变。 Senti 等2 对果蝇卵巢中 piRNA 生物转化途径之间的相互关系进行分析，发现 piRNA 能使生殖细胞中的与卵子发生有关的转座子沉默， 影响原有基因的转录， 从而影响卵子的产生。除此之外， piRNA 能对翻译过程进行调节，Gou 等 3 发现小鼠 Miwi和 piRNA 与帽结合复合体联结后，精子细胞中的 mRNA 被大规模清除，影响生殖细胞中部分 mRNA 的翻译。2 维持生殖系和干细胞功能piRNA 存
6、在的主要场所是生殖细胞和干细胞，与 Piwi 亚家族蛋白结合形成 piRNA 复合物（piRC ），目前，piRNA 的功能主要是根据 Piwi 蛋白来推测的。Piwi 有维持生殖系和干细胞的功能，Piwi 亚家族主要由 MIWI ，MILI 和 MIWI2等特异蛋白组成， 在精子的发育形成中发挥着至关重要的作用。三个特异性蛋白都出现在减数分裂时期，其中一个缺失，精子形成就会出现缺陷。小鼠MIWI2突变体和果蝇 Piwi 突变体的生殖细胞表型相同， 证明了小鼠的 MIWI2和果蝇的Piwi 在维持生殖系和干细胞功能方面起着类似的作用。此外，piRNA 在生殖细胞中的富集现象和Miwi 突变种的
7、雄性不育都体现出了piRNA 与配子形成有关。例如， Gonzalez 等 4 以果蝇为实验对象，发现果蝇睾丸中的Piwi 蛋白不仅能够维持生殖系干细胞（GSC）也能维持体细胞囊肿干细胞（CySC）的发育，另外， Piwi 蛋白对生殖系干细胞有一定的调节作用。如果降低果蝇睾丸中Piwi 蛋白的活性，干细胞的分化就会受阻， 干细胞功能也就不能实现，影响睾丸中精子的形成。 Pek 等5 发现在缺乏与 piRNA 沉默转座子相关的蛋白时生殖系干细胞分裂将会被阻塞，不能顺利完成分化过程。Zhao等6 报道， piRNA与 MIWI结合可以导致精子细胞中的泛素蛋白酶体降解。经研究发现，精细胞发育为成熟精
8、子必须经历此过程，在MIWI缺失的情况下，精子将不会发育完全，因此，Miwi一旦发生突变，很可能会导致雄性不育现象的发生。3 piRNA芯片技术与其他非编码小RNA 相比， piRNA 发现较晚，而且种类数目要远多于其它小分子 RNA ，目前，我们对 piRNA 的了解尚浅。 由于存在的许多问题没有解决， piRNA 的分析鉴定要比siRNA 和 miRNA 都具有挑战性。随着分子生物学技术的不断完善， 芯片测序技术越发具有实用性，因此，研究人员可以通过应用芯片技术对 piRNA的生物学功能进行全面深入的研究。当前科学家们已经成功的研究出针对各种哺乳动物的piRNA芯片，可以对piRNA的表达
9、情况进行鉴定。例如， Busch等 7 利用微阵列芯片技术进行测序，检测3 个 piRNAs（ pir-30924 ，pi-57125 ，pir 38756 ）在肿瘤中的表达情况，发现非转移性肿瘤中 pir-57125较高，而转移性肿瘤中pir-30924和 pir 38756 较多，此发现对患者的肿瘤性质判断以及治疗方面有很大帮助。Chu 等 8 以邻近正常组织为对照通过基因芯片技术分析piRNA在膀胱癌组织中的表达情况，发现106piRNAs 的表达水平上调， 91piRNAs在膀胱癌组织中被抑制，其中piRNADQ594040 的显著减少是引起膀胱癌的主要原因。Dharap 等9 应用微
10、阵列芯片技术分析成年老鼠大脑皮层在瞬态局部缺血状态下的piRNAs ，发现老鼠的105piRNAs表达方式发生改变，但部分piRNA在此状态下是冗余的。 piRNA芯片技术的应用对piRNA自身生物功能的研究和人类疾病治疗有不可替代的作用，随着芯片技术的不断发展，piRNA 的生物起源和功能终将会被阐明。4 展望目前，人们对 piRNA 的研究已经取得显著进展，了解piRNA 能在多水平（维持生殖系 DNA完整、沉默转座子转录过程、 抑制翻译、参与异染色质的形成、执行表观遗传调控和生殖细胞发生）对机体遗传物质的表达进行调控。但由于 piRNA 是目前已知的种类最为繁多的非编码小RNA ，这增加
11、了 piRNA 研究的难度，当前人们对 piRNAPiwi 蛋白和 piRNA 的诸多结构和功能信息尚不清楚，还需要更为深入全面的进行探究。piRNA与生物遗传和生殖发育密切相关，通过调节 piRNA 途径可以影响相关动物的繁殖情况，拯救濒危物种，进而更好的维持物种数目。 piRNA对人类的疾病防治有至关重要的作用，癌症患者体内的特异 piRNA较正常人有明显不同，研究患者的特异piRNA特性，有助于为癌症治疗提供某些方法手段。 随着芯片技术或高通量测序技术的快速发展，我们必将会对 piRNA 所具有的强大功能有一个更加深入和确切的认识，进而推动科技进步，造福全人类。参考文献1ErwinAA
12、， GaldosMA ， WickersheimML ，et al. piRNAsAreAssociatedwithDiverseTransgenerationalEffectsonGeneandTransposonExpressionin a HybridDysgenicSyndromeof D. virilisJ.PLOS Genetics ， 2015 ，11 （8）： e1005332.2 Senti KA， Jurczak D ，Sachidanandam R， et al. piRNA-guidedslicingof transposontranscriptsenforcesthe
13、irtranscriptionalsilencingvia specifyingthe nuclearpiRNArepertoireJ.Genes&Development，2015 ， 29 （ 16 ）： 1747-1762.3 Gou LT， Dai P， Yang JH， et al. PachytenepiRNAsinstructmassive mRNA elimination during late spermiogenesis.Cell Res，2014 ，24 （6）： 680-700.4Gonzalez J ， Qi HY ， Liu N ， et al.Piwi Is a K
14、ey Regulator of BothSomatic and Germline Stem Cells in the Drosophila TestisJ. Cell Rep，2015 ， 12 （ 1）： 150-161.5PekJW ， Kai T. Non-codingRNAs entermitosis ： functions ，conservation and implicationsJ. Cell Division，2011 ， 6： 6.6ZhaoS， GouLT， ZhangM ，etal. piRNA-TriggeredMIWIUbiquitinationandRemovalbyAPC/CinLateSpermatogenesisJ.Developmental Cell，2013 ， 24 （ 1）：13-25.