piRNA的生物功能和研究技术

朱会芹 王瑞飞

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（2016）162-0195-02

piRNA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106 piRNAs的表达水平上调，91piRNAs在膀胱癌组织中被抑制，其中piRNA DQ594040的显著减少是引起膀胱癌的主要原因。Dharap等[9]应用微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

[1]Erwin AA， Galdos MA， Wickersheim ML，et al. piRNAs Are Associated with Diverse Transgenerational Effects on Gene and Transposon Expression in a Hybrid Dysgenic Syndrome of D. virilis[J]. PLOS Genetics，2015，11（8）： e1005332.

[2] Senti KA，Jurczak D，Sachidanandam R， et al. piRNA-guided slicing of transposon transcripts enforces their transcriptional silencing via specifying the nuclear piRNA repertoire[J]. Genes& Development，2015，29（16）： 1747-1762.

[3] Gou LT， Dai P， Yang JH， et al. Pachytene piRNAs instruct massive mRNA elimination during late spermiogenesis.Cell Res，2014，24（6）： 680-700.

[4]Gonzalez J， Qi HY， Liu N， et al.Piwi Is a Key Regulator of Both Somatic and Germline Stem Cells in the Drosophila Testis[J]. Cell Rep，2015，12（1）： 150-161.

[5]Pek JW， Kai T. Non-coding RNAs enter mitosis： functions， conservation and implications[J]. Cell Division，2011，6：6.

[6]Zhao S，Gou LT，Zhang M， et al. piRNA-Triggered MIWI Ubiquitination and Removal by APC/C in Late Spermatogenesis[J].Developmental Cell，2013，24（1）：13-25.