9月6日，Nature Cell Biology在線發(fā)表了中國科學(xué)院分子細(xì)胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心（生物化學(xué)與細(xì)胞生物學(xué)研究所）研究員吳立剛組與南京醫(yī)科大學(xué)教授李建民組合作完成的最新研究成果The piRNA pathway is essential for generating functional oocytes in golden hamsters。該研究揭示了piRNA通路在金黃地鼠（Mesocricetus auratus，golden hamster）雄性和雌性生殖中均具有不可或缺的功能，顛覆了此前提出的piRNA通路在哺乳動(dòng)物雌性生殖中不具有功能的研究結(jié)論。

生殖細(xì)胞對個(gè)體生殖和種群延續(xù)至關(guān)重要，卵細(xì)胞中積累的蛋白質(zhì)和RNA為早期胚胎發(fā)育奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。piRNA是一類在生殖細(xì)胞中特異性高表達(dá)的小RNA，長度為18-30 nt，與PIWI家族蛋白結(jié)合形成復(fù)合物，在轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)控轉(zhuǎn)座子（transposon）和基因的表達(dá)，在生殖細(xì)胞發(fā)育中具有重要功能。以往關(guān)于哺乳動(dòng)物的piRNA功能研究均以小鼠為模型，小鼠基因組編碼3種PIWI蛋白（PIWIL1、PIWIL2和PIWIL4），缺失任何一種PIWI蛋白都將導(dǎo)致與其相關(guān)的piRNA缺失，進(jìn)而造成雄性小鼠不育，但雌性小鼠育性不受影響。由此，在piRNA研究領(lǐng)域內(nèi)發(fā)展出一種被廣泛接受的理論：piRNA通路對哺乳動(dòng)物雌性生殖不是必需的。而在果蠅和斑馬魚中的研究顯示，piRNA在雌性和雄性生殖中均具有重要功能。那么，是piRNA在哺乳動(dòng)物進(jìn)化中喪失了其在雌性生殖中的功能，還是piRNA通路對哺乳動(dòng)物雌性生殖不是必需的這一結(jié)論本身便存在偏差？

研究中，科研人員分析了不同物種的卵細(xì)胞中piRNA及其相關(guān)基因的表達(dá)特征，發(fā)現(xiàn)小鼠卵細(xì)胞中小RNA的種類和表達(dá)特征在哺乳動(dòng)物中不具有廣泛的代表性，小鼠卵細(xì)胞中大量表達(dá)類似siRNA的endo-siRNA，而包括人和猴在內(nèi)的大部分哺乳動(dòng)物卵細(xì)胞中并不表達(dá)endo-siRNA，表達(dá)量最高的小RNA類型是piRNA。因此，以小鼠為模式動(dòng)物獲得的piRNA功能相關(guān)的結(jié)論需要在其他模式動(dòng)物中進(jìn)行檢驗(yàn)。研究人員挑選了更具有代表性的金黃地鼠作為模式動(dòng)物開展研究。金黃地鼠又稱敘利亞倉鼠（syrian hamster），屬于嚙齒目倉鼠科，被用于發(fā)育和生殖生物學(xué)的研究已有多年，卵細(xì)胞中PIWI基因的表達(dá)及小RNA組成與包括人類和猴在內(nèi)的其他大部分哺乳動(dòng)物相似。

研究利用CRISPR技術(shù)構(gòu)建出piRNA通路重要作用蛋白PIWIL1和MOV10L1（RNA解旋酶）的缺失突變體，結(jié)果顯示，雄性和雌性金黃地鼠純合突變體均無法產(chǎn)生后代：雄性純合突變體呈現(xiàn)嚴(yán)重的生精細(xì)胞發(fā)育障礙；而雌性純合突變體具有正常的卵巢結(jié)構(gòu)，能夠產(chǎn)生數(shù)量正常、沒有明顯形態(tài)缺陷的成熟卵細(xì)胞，但與野生型雄性金黃地鼠交配后產(chǎn)生的受精卵無論是在體內(nèi)生長還是在體外培養(yǎng)條件下發(fā)育均停滯在二細(xì)胞時(shí)期，并發(fā)生崩解死亡。

正向和反向的胚胎移植實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證明，胚胎發(fā)育的停滯是由于卵細(xì)胞自身存在缺陷，而并非是受孕母鼠的輸卵管或卵巢存在異常。小RNA和轉(zhuǎn)錄組測序研究發(fā)現(xiàn)，PIWIL1在卵細(xì)胞中結(jié)合23-nt和29-nt兩種不同長度piRNA，隨著卵細(xì)胞和胚胎的發(fā)育，PIWIL1結(jié)合的piRNA從29-nt逐漸過渡到23-nt。敲除PIWIL1基因造成卵細(xì)胞中ERV和LINE1等逆轉(zhuǎn)座子的異常積累，同時(shí)導(dǎo)致母源mRNA降解減慢和胚胎早期發(fā)育中合子基因激活（ZGA）失敗。

研究表明，piRNA通路對金黃地鼠雄性和雌性生殖發(fā)育均是必要的，在沉默轉(zhuǎn)座子和維持合子基因激活中發(fā)揮了重要作用。由于金黃地鼠卵細(xì)胞中小RNA的種類和表達(dá)特征與包括人類和食蟹猴在內(nèi)的其他大部分哺乳動(dòng)物相似（Nature Communications，2019），該研究提示piRNA通路在人類和其他哺乳動(dòng)物雌性生殖中很可能同樣具有重要功能，為探究piRNA通路異常與女性生殖相關(guān)疾病的診治奠定了理論基礎(chǔ)、提供了動(dòng)物模型。

研究工作得到國家自然科學(xué)基金、科技部、中科院、上海市和江蘇省的支持。

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piRNA通路對金黃地鼠雌性和雄性生殖均是必要的

來源： 分子細(xì)胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心