《cell》文献翻译:piRNA使转座子沉默

bobo

Mario Hallic and Danesh Moazed
+ z& F/ Z3 V0 }2 S5 D2 r- c! T' p, a+ M9 V4 ^. p
Cell 138, 1058 – 1060, September 18, 2009- A! I4 t3 d& ?) a4 k( o1 Y

# `3 r; K4 F2 ^+ F 1 @7 d4 V! a" b& L8 Q( [' H- z7 k
8 |: o# ~% N4 X+ r) }, w7 c
    在哺乳动物细胞中，称为piRNA的小RNA分子保护基因组免受寄生DNA（如转座子）的侵扰。Klattenhoff等在本期Cell中报道HP1蛋白家族之一Rhino是果蝇中piRNA产生和转座子沉默所必需的，他们的研究成果表明在异染色质和piRNA介导的基因组保护之间存在某种关联。
' y( f' j3 o9 W  q
7 r3 ]3 D1 |- o3 H+ t& j% F: D3 h + Y7 v2 d5 ^8 t. s+ M) O; J3 g

- C+ Q& R; `4 k$ R. z    转座子是寄生DNA，其存在和增殖需要使用基因组和寄主细胞的复制机制。这些寄生DNA分别占据果蝇和人基因组的三分之一到二分之一。在基因组中转座子的移动（转座）可诱导剪切和插入位点的突变，导致基因组不稳定。因此，转座子和基因组总是处于进化竞赛之中。尽管转座子的进化使其能在寄主基因组中增殖，但各种生物进化产生了多种可调节转座子移动的机制，以保持基因组的完整性。Klattenhoff等在本期Cell给出的证据表明，异染色质和RNA沉默机制这两个参与转座子防御的主要途径相互交联。, R# \4 M1 ?: M& d% v

& H5 z0 G7 c. P9 f. Z    已知在转座子和寄主基因组之间的竞争中，细胞防御机制之一是富含转座子的区域组装成异染色质。这些区域的特征是在组蛋白上有特殊修饰，如在组蛋白H3赖氨酸9 (H3K9)上的甲基化。这类修饰可使蛋白质聚拢，如使促进转录沉默和转座子沉默的异染色质蛋白1 （HP1）聚集到H3K9。另外，一系列重要发现也揭示了RNA沉默机制在细胞抵御转座子和病毒中的作用。生殖细胞对转座子特别敏感，因为转座子可传递到下一代，损害遗传稳定性。为了给遗传物质向下一代的传递提供更多的忠实性，某些多细胞真核生物进化产生了基于RNA的令生殖细胞转座子沉默的途径。这类途径之一是产生piRNA，这是一类小RNA，可与Argonaute (Ago)家族的Piwi蛋白结合。果蝇中各种异染色质区域是原初反义piRNA的来源，这类piRNA作用大量分散在基因组中并在生殖细胞中活化的转座子。原初piRNA通过乒乓机制扩增，即通过与Piwi进化枝Aubergine (Aub)蛋白结合的反义piRNA作用正义转录产物，产生正义piRNA，正义piRNA再与Ago3结合，作用反义转录产物。, K" l9 p7 ^* s( M: m. t9 R$ {

% m$ p# t2 _' x    人们对原初piRNA的产生机制以及piRNA怎样使转座子沉默了解不多。与piRNA结合的Piwi蛋白可以作用并切割RNA分子，并使其发生转录后降解。尽管先前的数据表明可通过染色质修饰使转座子沉默，但仍缺乏异染色质与piRNA之间确实有关联的证据。Klattenhoff等的新研究揭示了Rhino (HP1d，果蝇中5个HP1蛋白之一)在piRNA产生中的作用。Rhino与普遍表达的HP1a, HP1b, HP1c不一样，它主要在果蝇卵巢中表达。Rhi基因的突变可导致转座子活化和雌蝇绝育。+ ~( b0 n, D& A
% S' o- U% Y3 _" j8 u4 `0 b; `
    Klattenhoff及其同事表明Rhino是转座子沉默、通过双链异染色质基因簇产生piRNA以及通过乒乓机制有效扩增piRNA所必需的。全基因组转录谱图揭示了在rhi基因和在armi基因（该基因为解旋酶编码，是产生piRNA所必需的）中的突变可增加一系列转座子的表达，但rhi基因突变对在内含子中有转座子的蛋白质编码基因的表达影响不大。Klattenhoff等认为依赖于piRNA的沉默发生在RNA剪接之后，RNA剪接可从蛋白质编码基因中除去内含子转座子。他们还发现rhi的突变破坏了Aub和Ago3在与RNA加工有关的细胞核周边结构(nuage)上的定位，这说明Rhino可能在Ago3和Aub的上游起作用，nuage体和piRNA介导的沉默相互依赖。这些结果表明，piRNA在前体RNA剪接和输出后，在nuage体上对转录产物进行扫描。Nuage可能在RNA监控中起一定作用，在转座子RNA输出到细胞质之前对其进行清除。这样做可以阻止转座子转录产物的翻译、转座子反转录所需蛋白的合成并阻止转座子重新插入基因组。; F9 L. p' F3 m% ~8 A0 J
  ~3 J* H# |' u9 R
    HP1蛋白是异染色质组装和在异染色质基因区域中基因转录沉默所必需的。但Rhino在piRNA的产生中有非同寻常的作用，它是从双链piRNA基因簇中产生RNA前体所必需的，包括从染色体2的42AB区域（果蝇中的主要piRNA基因簇）产生piRNA前体。Klattenhoff等使用染色质免疫沉淀，发现Rhino与42AB基因簇相结合，从而使HP1与一个主要piRNA基因簇相关联。与大多数异染色质piRNA基因簇一样，42AB基因簇也是从基因组的两条链产生piRNA。Klattenhoff等的一个重要发现是，在rhi纯合子突变果蝇中，长RNA前体从42AB基因簇的表达大大减少，说明Rhino可促进长RNA前体从42AB基因簇以及从其他生殖细胞双链基因簇的产生。这项研究结果为Yin和Lin的意外观察提供了一种可能的解释，Yin和Lin观察到Piwi蛋白是果蝇另一个双链piRNA基因簇(TAS)产生特定piRNA所必需的。Piwi的缺失增加了在TAS区域的HP1a和H3K9的甲基化，说明在正常情况下，在TAS区域的染色质转录开放构象的维持需要有Piwi。尽管在得出明确结论之前需要有更多关于野生型和突变型果蝇卵巢42AB基因簇染色质结构的信息，但一个有趣的可能性是Piwi蛋白通过控制不同HP1蛋白的聚集，调节某些piRNA基因簇的染色质结构和转录。Rhino通过竞争排除其他HP1蛋白与42AB基因簇的结合，阻止生殖细胞在42AB基因簇的依赖于异染色质的沉默。HP1蛋白使介导基因转录沉默或RNA加工（与转录同时进行的加工）的下游效应子聚集。Klattenhoff等报道的Rhino在生殖细胞的特异性表达可使平衡趋向双链基因簇的表达，在生殖细胞中产生piRNA。另一种可能性是，长前体RNA的累积是由于RNA稳定性的改变，而不是转录的增加。在这种情况中，Rhino与长RNA相互作用，防止其在细胞核中降解，以便输出到nuage。裂殖酵母无piRNA，在这种酵母中，小干扰RNA (siRNA)与含Argonaute和染色质Chp1的RNA诱导沉默(RITS)复合物结合，作用非编码RNA（这些RNA从着丝粒重复区域转录）。RITS促进siRNA的扩增、转录产物的降解、HP1蛋白的聚集和H3K9的甲基化。裂殖酵母的HP1蛋白在着丝粒区域有控制RNA合成和加工的作用。这类作用包括帮助RNAi复合物与非编码RNA结合、汇集脱乙酰酶复合物进行基因转录沉默以及聚集可拮抗H3K9甲基化的Epe1蛋白进行着丝粒RNA转录。这些着丝粒RNA是裂殖酵母中与重复序列相关的siRNA的前体。42AB双链RNA的累积需要有Rhino的参与，这可能反映了不同HP1蛋白有相似的、进化上保守的分工。
) G1 h2 |9 ?7 T: i
% Q4 }$ L  t. t2 h9 K" [, u5 X% d. W    Klattenhoff等人的重要发现使我们能够讨论有关piRNA的生物学及其与异染色质的关系等问题。例如，Rhino怎样作用特定piRNA基因簇？Ago3和Aub主要位于nuage，它们通过乒乓机制在nuage扩增piRNA。但Piwi存在于生殖细胞，主要位于细胞核。一种可能性是与Piwi结合的piRNA使Rhino作用转座子基因簇，促进从该基因簇产生额外的piRNA。了解Piwi、Ago3或Aub是否位于42AB和其他双链基因簇十分重要。在果蝇体细胞中已观察到Piwi和HP1a之间的物理相互作用，Piwi可使HP1a聚集，使这些双链基因簇发生转录沉默。在果蝇卵巢中，Rhino可能与HP1的作用方式类似，促进双链RNA基因簇的表达和促进piRNA的产生，使转座子沉默。一个有趣的可能性是，HP1e（另一种HP1蛋白，主要在雄性生殖细胞中表达）促进双链RNA基因簇在精子中表达。有关Rhino、其他HP1蛋白和piRNA产生之间的相互作用的研究，将为这个基因组生物学的重要领域提供更详细的信息。
/ `% Q$ {# a" A" K3 M8 S本文转自建人先生原创，感谢