研究揭示piRNA在哺乳動物雌性生殖中具有重要功能

　　Nature Cell Biology在線發表了中國科學院分子細胞科學**創新中心（生物化學與細胞生物學研究所）研究員吳立剛組與南京醫科大學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通路在哺乳動物雌性生殖中不具有功能的研究結論。

　　生殖細胞對個體生殖和種群延續至關重要，卵細胞中積累的蛋白質和RNA為早期胚胎發育奠定了物質基礎。piRNA是一類在生殖細胞中特異性高表達的小RNA，長度為18-30 nt，與PIWI家族蛋白結合形成復合物，在轉錄和轉錄后水平調控轉座子（transposon）和基因的表達，在生殖細胞發育中具有重要功能。以往關于哺乳動物的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蛋白都將導致與其相關的piRNA缺失，進而造成雄性小鼠不育，但雌性小鼠育性不受影響。由此，在piRNA研究領域內發展出一種被廣泛接受的理論：piRNA通路對哺乳動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在哺乳動物進化中喪失了其在雌性生殖中的功能，還是piRNA通路對哺乳動物雌性生殖不是必需的這一結論本身便存在偏差？

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

　　研究利用CRISPR技術構建出piRNA通路重要作用蛋白PIWIL1和MOV10L1（RNA解旋酶）的缺失突變體，結果顯示，雄性和雌性金黃地鼠純合突變體均無法產生后代：雄性純合突變體呈現嚴重的生精細胞發育障礙；而雌性純合突變體具有正常的卵巢結構，能夠產生數量正常、沒有明顯形態缺陷的成熟卵細胞，但與野生型雄性金黃地鼠交配后產生的受精卵無論是在體內生長還是在體外培養條件下發育均停滯在二細胞時期，并發生崩解死亡。

　　正向和反向的胚胎移植實驗進一步證明，胚胎發育的停滯是由于卵細胞自身存在缺陷，而并非是受孕母鼠的輸卵管或卵巢存在異常。小RNA和轉錄組測序研究發現，PIWIL1在卵細胞中結合23-nt和29-nt兩種不同長度piRNA，隨著卵細胞和胚胎的發育，PIWIL1結合的piRNA從29-nt逐漸過渡到23-nt。敲除PIWIL1基因造成卵細胞中ERV和LINE1等逆轉座子的異常積累，同時導致母源mRNA降解減慢和胚胎早期發育中合子基因激活（ZGA）失敗。

　　研究表明，piRNA通路對金黃地鼠雄性和雌性生殖發育均是必要的，在沉默轉座子和維持合子基因激活中發揮了重要作用。由于金黃地鼠卵細胞中小RNA的種類和表達特征與包括人類和食蟹猴在內的其他大部分哺乳動物相似（Nature Communications，2019），該研究提示piRNA通路在人類和其他哺乳動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疾病的診治奠定了理論基礎、提供了動物模型。