中国生物工程杂志ＣｈｉｎａＢｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇ
piRNA：一类新的非编码小RNA
黄雪梅 张守涛 王 芳 刘 伟 张一折
（郑州大学生物工程系 郑州 450001）
摘要 piRNA（Piwi－interactingRNA）是从哺乳动物生殖细胞中分离得到的一类长度约为30nt的小RNA，并且这种小RNA与PIWI蛋白家族成员相结合才能发挥它的调控作用。目前，越来越多的文献表明piRNA在生殖细胞的生长发育中的调控是由于Piwi?piRNA复合物引起的基因沉默导致的，但由于对piRNA的研究尚处于初级阶段，它的一些具体的功能和生源论尚在研究当中。综述了piRNA的最新研究进展。
关键词 piRNA 非编码 小RNA 生殖细胞 发育
中图分类号 Q74
生物体中RNA可以分成两大类：编码RNA和非编码RNA。非编码RNA中有许多种小RNA，在高等生物体内存在着大量的非编码小RNA，它们组成了细胞中高度复杂的RNA调控网络，在调节时序发育、细胞增殖、不对称发育、树突状脊的发育、胚胎早期发育、肿瘤的发生发展、干细胞分化及抗病毒等整个细胞水平的几乎所有事件中起着重要的调控作用。
在非编码小RNA的研究中，小干扰RNA（siRNA）和微小RNA（microRNA，miRNA）的研究起步较早、研究也较深入。siRNA是一类约21～25nt的RNA分子，由Dicer（RNAaseⅢ家族中对双链RNA具有特异性的酶）加工而成，通过完全互补配对的方式与目标mRNA结合，引起其降解，从而导致靶基因的的沉默。miRNA是一种长度为21～25nt的单链小分子RNA。它广泛存在于真核生物中，成熟的miRNA，5′端有一个磷酸基团，3′端为羟基，它是由70～90个碱基、具发夹结构单链RNA前体（pre miRNA）经过Dicer酶加工而成，主要通过与靶标基因不完全互补结合，进而抑制翻译或促进mRNA聚腺苷酸尾巴（polyAtail）的去除等方式调控靶基因的表达［1］。但最近的相关研究发现，生物体内还存在与前两种小RNA长度不同的另一类非编码小RNA，它们的长度约为30nt，通过与Argonaute家族蛋白等结合来调控mRNA的稳定性、蛋白质的合成、染色质组织和基因组的结构。有关piRNA的研究成果主要来自于美国、英国和日本，尚未见国内实验室的有关研究报道。
1 piRNA的发现
2006年7月，Nature和Science等杂志几乎同时报道了一类新的非编码小RNA，发现它们与生殖细胞发育密切相关［2，3］。最初，Aravin等［2］发现了该种小RNA，他们在3个月大的C57BL／6J雄性小鼠中利用离心淘析技术从输精小管中获得了生殖细胞。从小鼠全睾丸组织的全细胞裂解液中进行了MILI核糖核蛋白复合体的免疫共沉淀分离了核酸，并利用亲和方法纯化了抗MILI?pepN2的抗体收集了一段多肽。从小鼠和人的睾丸总RNA中分离出的小RNA进行凝胶纯化，克隆和测序。结果发现有两种不同大小的小RNA：26～28nt和30nt左右的RNA。为了鉴定不同的RNA类群，他们克隆和测定了从睾丸中获得的MILI interactingRNA和小RNA，长度范围在18～26nt和24～33nt之间。序列分析表明85％为MILI?interactingRNA，88％的是含有5′U嘧啶的24～33nt的RNA。基因组的聚类分析对应了1500多条MILI?interactingRNA的序列，根据在最大距离为15kb的两个连续位点之间，表明有80％的克隆只来源于42个基因区，我们还发现，76％的这些序列确立了22～23nt的库，也对应于相同的区域，这些区域也似乎同时产生了原本存在于睾丸总RNA中的26～28nt的MILI?interactingRNA和富含29～31nt的RNA。他们根据Piwi蛋白家族的成员MILI与这些小RNA
的相互作用，命名为PiwiinteractingRNAs，即piRNAs。紧接着，Girard等［3］在睾丸总RNA分离过程中也检测到了这种小RNA，它与MIWI蛋白（一种鼠科的Piwi蛋白）结合。他们用小鼠17号染色体，大鼠20号染色体和人的6号染色体进行分析，发有类似的piRNA，大多数基因簇出现在同线位置上。此外，相继有3篇文章也分别报道了在小鼠的生精细胞、生殖系细胞以及睾丸中发现了piRNA，其中日本的实验室根据来源将其命名为germlinesmall RNA（gsRNA），由于命名原则的不同，故在名称上存在一定的差异［4～6］。
目前，在果蝇中已经鉴定了5种Argonaute蛋白：Ago1，Ago2，Ago3，Piwi和Aubergine（Aub），其中Ago1和Ago2属于Ago亚家族，是普遍表达的，而Ago3，Piwi和Aub属于Piwi亚家族，它的表达具有种系特异性［7］，Ago3，Piwi和Aub与非编码小RNA的另一个成员———重复相关小RNA（repeat?associatedsmallinterferingRNAs，rasiRNAs）也存在相互作用关系［8］。rasiRNA最初发现于果蝇和斑马鱼的胚胎发育时期［9，10］，最近又发现在果蝇的生殖系细胞中也存在［11，12］，表达rasiRNA高度富集在睾丸和早期胚胎中。rasiRNA长度为22～24nt，与转座因子、卫星和微卫星DNA以及Stellate重复抑制基因类似，它可能来源于长片段dsRNA的反义链，需要Dicer?3（RNaseШ）催化，但没有2′，3′末端羟基的特性。rasiRNA也与Piwi蛋白相结合可能在生殖细胞中沉默逆转录转座子和重复元件来调节着果蝇的生殖系的发育，它的沉默机制可能与piRNA的调节方式存在一定的关系。
2 piRNA的结构特征
piRNA是一类长度为26～31nt单链的小RNA，大部分集中在29～30nt，与miRNA和rasiRNAs一样，5′端也具有强烈的尿嘧啶倾向性（约86％）。虽然rasiRNA和piRNA的大小相似，但有两点不同：首先，piRNA以高度特异链的方式对应于基因组，相反，rasiRNA在有义或反义定位之内对应于重复区域，它们似乎是由长dsRNA前体随机产生的。其次，piRNA主要对应于单链基因组位点，但是rasiRNA是通过定义可转座元件在内的重复位点来对应的。piRNA的表达具有组织特异性，调控着生殖细胞和干细胞的生长发育，目前只在老鼠［2～6］、果蝇［13］、斑马鱼［14］等哺乳动物的生殖细胞中发现了这类小分子。
piRNA在染色体上的分布极不均匀，在小鼠中它们主要分布于17、5、4、2号染色体上，而很少分布于1、3、16、19和X染色体上，基本不分布于Y染色体上［4］。另外，piRNA主要存在于基因间隔区，而很少存在于基因区或重复序列区。它们主要成簇分布在1～100kb相对较短的基因组位点，且包含有10～4500个小分子RNA［15］。由于piRNA成簇分布，且每一个几乎都具有同一取向，说明同一簇piRNA可能来源于同一长初始转录物，但有一部分成簇的piRNA会突然改变取向，说明这些双向的成簇piRNA可能由相同的启动子按不同的方式转录而来［15］。
