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Nature:piRNA解释昆虫学界世纪问题

Nature:piRNA解释昆虫学界世纪问题

日前,来自日本东京大学的研究人员在《自然》(Nature)上发表论文,公布了他们关于家蚕性别决定的最新进展。在论文中,研究者描述了他们所发现的一个piRNA—Fem piRNA,并详细阐明了该piRNA的来源及其在家蚕性别决定机制中的关键作用。

不同于哺乳动物,家蚕的性染色体为WZ型,雄性有两个Z染色体,而雌性则有一个W染色体,一个Z型染色体。家蚕的性别决定是在胚胎形成早期完成的,之前的研究已经发现,W染色体决定胚胎是否会发育成雌性成虫,但由于W染色体上几乎完全被转座子占据,基本上没有任何编码蛋白的基因,所以研究者一直未能鉴别出W染色体上决定雌性性别的基因。

本文中,研究者首先检测了雌性和雄性家蚕胚胎的Bmdsx基因,该基因是控制家蚕性别分化的关键基因,可通过选择性剪切,产生雌性和雄性所特有的mRNA,决定性别方向。结果表明,雌性Bmdsx在雌雄两种家蚕的胚胎发育早期就已出现,而雄性Bmdsx只在雄性胚胎中很明显,但雌性胚胎在发育21小时后才开始出现。这表明雌性Bmdsx在胚胎早期就一直存在,或许是由W染色体直接表达而来,而雄性Bmdsx则可能有其他调控机制,控制雄性胚胎产生。

接下来,研究者对产卵后不同时间点两种胚胎进行RNA-Seq及RT-qPCR检测,力图发现在两种胚胎发育过程中与雄性Bmdsx调控有关的转录本。通过分析,他们在雌性胚胎中注意到存在于W染色体上的一个非编码序列—comp73859_c0,并认为它是一个piRNA前体。通过比对胚胎或卵巢piRNA,使用northern blotting,研究者在此序列转录本中鉴定出一个长度29nt的piRNA,并结合piRNA文库筛选,确定这个piRNA是由W染色体性别决定区产生的。

为了确定此piRNA的功能,研究者使用piRNA抑制剂,考察早期胚胎中该piRNA对于Bmdsx基因的影响,结果发现,在使用piRNA 抑制剂处理的雌性胚胎中,出现了雄性Bmdsx,而雄性胚胎则没有影响;使用siRNA处理piRNA作用通路的两个核心组件Siwi及BmAgo3后,发现在沉默Siwi时,雌性胚胎会产生雄性Bmdsx,但对雄性胚胎没有影响,而沉默BmAgo3在两种胚胎中都不会对Bmdsx产生影响。这表明雌性胚胎需要此piRNA才能维持雌性Bmdsx,且Siwi对piRNA的产生是必需的,研究者将此piRNA命名为Feminizer(Fem)。

对于Fem所参与的通路,研究者鉴定了一个位于Z染色体上的一个与Fem互补的基因座—Masculinizer(Masc)。该基因通过在全Z染色体上抑制基因表达,在胚胎时期控制剂量补偿和雄性化。通过5’RACE实验,发现Masc mRNA是Fem piRNA的剪切靶点;同时,PIWI-Masc piRNA复合体也可以剪切Fem RNA。另外,在RNA免疫共沉淀(RIP)中又发现Fem piRNA与Siwi蛋白结合,Masc piRNA与BmAgo3蛋白结合。不同于Fem piRNA,一定量的Masc piRNA-BmAgo3复合体在新生卵细胞中就存在,这也解释了为什么在雌性胚胎中BmAgo3 RNAi对Bmdsx没作用。由此,研究者总结出了Fem piRNA的乒乓模型,该模型由Fem piRNA及Masc piRNA作为伙伴,配合Siwi及BmAgo3两种蛋白共同组成。Fem piRNA的产生,导致Masc mRNA被剪切,产生Masc piRNA,同时产生雌性Bmdsx,且Fem piRNA对于雌性保持是必须的。

本文阐明了一个困扰昆虫遗传学界将近一个世纪的问题,解释了W染色体决定家蚕雌性特征的机制,鉴定出鳞翅目中一个主要性别决定因子—Fem piRNA,确定了一个Fem piRNA/Masc/Bmdsx性别决定通路,这也为piRNA介导性别决定提供了证据。

piRNA作为近几年发现的一类非编码RNA,有着与众不同的作用于调控机制,对于生殖调控,意义尤其重大。本文所建立的家蚕piRNA研究策略,非常具有借鉴意义,研究者灵活运用了RNAi、RNA-Seq及RIP等转录组学研究方法,对piRNA的功能与调控进行了多角度全方位探索。近期,来自中科院上海生命科学研究院的刘默芳课题组,也在Cell Research上发表论文,证实在精子发生后期粗线期piRNAs导致了大量的mRNA消失,这也是中国科学家在piRNA研究中的一项重要发现(相关原文:Pachytene piRNAs instruct massive mRNA elimination during late spermiogenesis)。在未来研究中,研究者或许可以通过RNAi等技术,特异性作用于某个piRNA或其通路中的关键元件,达到控制性别或其他治疗作用。

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Takashi Kiuchi, Hikaru Koga, Munetaka Kawamoto, Keisuke Shoji, Hiroki Sakai, Yuji Arai, Genki Ishihara, Shinpei Kawaoka, Sumio Sugano, Toru Shimada, Yutaka Suzuki, Masataka G. Suzuki & Susumu Katsuma. A single female-specific piRNA is the primary determiner of sex in thesilkworm. Nature, 14 May 2014; doi:10.1038/nature13315

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