9月6日，國(guó)際學(xué)術(shù)期刊Nature Cell Biology在線發(fā)表了中國(guó)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）吳立剛組與南京醫(yī)科大學(xué)李建民組合作的最新研究成果“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，顛覆了此前認(rèn)為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(duì)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)育提供了重要物質(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(zhǎng)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。以往對(duì)于哺乳動(dòng)物中piRNA功能的研究都是以小鼠為模型，小鼠基因組編碼3種PIWI蛋白（PIWIL1、PIWIL2和PIWIL4），缺失其中任何一種PIWI蛋白都會(huì)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，piRNA研究領(lǐng)域內(nèi)產(chǎn)生了一種被廣泛接受的理論：piRNA通路對(duì)哺乳動(dòng)物雌性生殖不是必需的。但在果蠅和斑馬魚(yú)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(duì)哺乳動(dòng)物雌性生殖不是必需的這一結(jié)論本身就存在偏差？
本研究中，研究人員首先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)。
針對(duì)這一科學(xué)問(wèn)題，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(kāi)展研究。金黃地鼠又稱敘利亞倉(cāng)鼠（syrian hamster），屬于嚙齒目倉(cāng)鼠科，被用于發(fā)育和生殖生物學(xué)的研究已經(jīng)有近60年的歷史，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。研究人員利用CRISPR技術(shù)構(gòu)建了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(wú)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(méi)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(wú)論是在體內(nèi)生長(zhǎng)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)一步證明了胚胎發(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(cè)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(zhǎng)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(guò)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。
以上結(jié)果表明piRNA通路對(duì)金黃地鼠雄性和雌性生殖發(fā)育都是必要的，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。值得一提的是，在同期的Nature Cell Biology上，來(lái)自日本慶應(yīng)義塾大學(xué)的Haruhiko Siomi團(tuán)隊(duì)和來(lái)自捷克科學(xué)院的Petr Svoboda團(tuán)隊(duì)同時(shí)報(bào)道了這一現(xiàn)象。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），該研究結(jié)果提示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，為研究piRNA通路異常與女性生殖相關(guān)疾病的診治提供了重要理論基礎(chǔ)和動(dòng)物模型。
中科院分子細(xì)胞卓越中心吳立剛研究員和南京醫(yī)科大學(xué)李建民教授及曾文滔老師為該論文的共同通訊作者，分子細(xì)胞卓越中心張宏道博士和張鳳娟博士、南京醫(yī)科大學(xué)研究生陳菁樺和李明哲為該論文的共同第一作者。該研究得到分子細(xì)胞卓越中心童明漢研究員、實(shí)驗(yàn)動(dòng)物平臺(tái)以及信息化管理團(tuán)隊(duì)的大力支持。成果獲國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部、中科院、上海市和江蘇省的經(jīng)費(fèi)支持。
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piRNA通路對(duì)金黃地鼠雌性和雄性生殖都是必要的
