可爱龙教授Cell评述重要结构生物学进展

2016-10-18 14:09:30 来源: 生物通
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  在所有的非编码RNA中, piRNA 数量最多, 主要存在于生殖系统,这种RNA在动物生殖组织中可以引导PIWI蛋白质沉默有害的转座子。其关键作用复合物:piRNA诱导沉默复合体piRISC的生物合成涉及多个步骤,至今科学家尚未清楚了解这个步骤的分子机制。

  近期一组研究人员报道了PIWI-clade蛋白质的首个晶体结构,解析了这一复合物如何引导RNA发挥功能。来自美国康奈尔大学的可爱龙教授(Ailong Ke)发表综述“PIWI Takes a Giant Step”,详细介绍了这一领域的研究新进展。

  在动物体中,小RNA依其结构特征、来源、加工因子和结合的Argonaute蛋白的不同分为3种,即microRNA(miRNA), siRNA(small interference RNA)和piRNA(Piwi-interacting RNA)。其中piRNA发现于2006年,是长约30nt的小RNA。piRNA与PIWI蛋白一同束缚转座子,摧毁这些跳跃基因产生的mRNA,或者沉默细胞核内的跳跃基因。piRNA的复杂性在进化过程中经历了爆炸式增长,科学家们认为人体内的piRNA总共可能有数百万种。

  十多年来piRNA通路一直是生物学研究的热点领域,但人们对piRNA的形成机制依然不太了解。2015年,冷泉港实验室等处的研究人员鉴别出Piwi系统利用一种蛋白质将细胞的基因沉默机器引导到了基因组中的正确位点,使得它能够让转座子失活,且不会干扰生物体自身的基因。

  Piwi系统面对的挑战是要找出这些看起来很像生物体自身基因的序列标记它们,使得细胞能够利用按需要关闭自身基因的相同机器来识别出它们。称作为piRNA的小RNA分子被认为在RNA拷贝出现时负责找到转座子,但接下来的步骤却无法解释,这项研究找到这一转座子特异性信号通路与细胞普遍抑制机器之间的联系。

  此外,近期这一研究组还发现了一种叫做“Trimmer”酶,参与生成了保护生殖细胞基因组免遭不必要遗传重写的一类小RNA。

  “跳跃基因”(又称转座子)是可以在基因组中四处移动的DNA小片段。它们可以破坏宿主基因,与癌症和其他一些疾病有关联。因此,生物体需要控制它们,尤其是在生成动物精子和卵子的生殖细胞中,以确保后代基因组的完整性。这项任务是由生殖细胞中一类叫做piRNAs(PIWI-interacting RNA)的小RNA分子来完成。piRNA的长度约为24-30个核苷酸(nt),其抑制了跳跃基因表达。人们认为piRNAs是通过修剪较长的前体:pre-piRNAs的一端至最终的长度而变成熟的。但却一直都不清楚负责这一修剪过程的酶。

  这项研究鉴别出了从前未知的一种核糖核酸酶是蚕卵巢细胞中的修剪蛋白“Trimmer”。他们的数据显示,Trimmer并非单独行动,还需要一种PIWI相关蛋白:Papi一起来修剪pre-piRNAs的末端。并且,他们证实修剪pre-piRNAs对于piRNAs功能极为重要,并有可能发生在线粒体的表面。

  作者简介:

  Ailong Ke教授,美国康奈尔大学(Cornell University),终身副教授(Tenured Associate Professor),一直致力于RNA生物学领域研究,包括HDV核酸酶,信号识别颗粒,核酸开关,病毒包装RNA等。主要成果发表于Nature等顶级期刊。相关研究主要利用X射线及生物化学工具解析RNA及RNA-蛋白复合物的结构、功能及调控机制。尤其在核酸开关领域研究成果处于世界顶尖水平。