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刘南和张耀阳课题组揭示果蝇中Nbr和Hen1 蛋白对piRNA 3’端的拮抗调节机制

发布时间: 2016-01-07 11:32:47    浏览次数:4010

2015年12月30日国际知名学术期刊development在线发表了中国科学院上海有机化学研究所生
物与化学交叉研究中心刘南和张耀阳课题组最新研究成果“Antagonistic roles between Nibbler
 and Hen1modulate piRNA 3’ ends in Drosophila”。该研究工作揭示了果蝇中Nbr和Hen1
蛋白对piRNA 3’端的拮抗调节机制,证实这种长度调节与piRNA的功能具有相关性,并发现piRNA
在果蝇衰老过程中表现出Nbr蛋白依赖的长度逐渐变短。这是首次关于piRNA在衰老过程中被有序
调控的报导。

piRNA是一类长度介于23 ~30 碱基的小非编码RNA,在果蝇中piRNA主要富集在生殖细胞和卵泡
细胞中。转座子广泛分布于真核生物基因组中,它们的异常表达及转座往往会破坏基因组稳定性,
造成损伤。目前已知piRNA的主要功能是抑制转座子表达从而维护基因组的稳定性。果蝇中piRNA
产生过程及功能与Piwi家族蛋白 (Piwi, Aub, Ago3) 密切相关,其5’端已知由核酸内切酶Zucchini
切割形成并存在尿苷酸偏好,但是对于piRNA3’端的形成以及调节机制,目前知之甚少。

该项研究工作旨在探究piRNA 3’端调节机制,增强人们对piRNA形成过程的认识。已有研究证实
果蝇中存在核酸外切酶Nbr,切割microRNA3’末端,调节microRNA长度。piRNA和microRNA
存在类似的序列特征,5’端相对确定而3’端表现为逐个碱基递减的多个异形体。那么Nbr是否会
参与到piRNA3’端修饰呢?由于Nbr本身没有RNA结合能力,如果Nbr也参与到piRNA3’端修饰,
那么必定依赖于与Piwi家族蛋白的相互作用。

在刘南研究员和张耀阳研究员的指导下,博士生王辉等人通过蛋白质组学和免疫共沉淀等方法证实
了Nbr与Piwi蛋白的体内相互作用(图1. A, B)。通过时新的基因编辑技术CRISPR/Cas9, 研究人员
获取了nbr突变体果蝇。结合小RNA测序和生物信息学技术,发现缺失nbr导致piRNA整体长度变长
(图2. A, B),证实Nbr蛋白能够对piRNA 3’端进行切割。已知甲基转移酶Hen1,甲基化修饰
piRNA 3’端,但是却没有人在全基因组水平上研究过Hen1对piRNA的影响。同样通过CRISPR/Cas9
技术获取hen1突变体,结合小RNA测序和生物信息学技术,发现缺失hen1导致piRNA整体长度变短,
证实Hen1甲基化修饰对piRNA 3’端的保护作用 (图2. A, B)。Nbr对piRNA 3’端切割和Hen1的保
护之间存在怎样的一种关系呢?研究人员将nbr突变和hen1突变通过重组的方式整合到同一只果蝇上,
发现同时缺失了nbr和hen1时,piRNA长度接近于对照组 (图2. A, B)。研究人员进一步研究发现
piRNA长度的增长或缩短导致其对部分转座子沉默效率的降低 (图2. C)。综合以上数据,证实果蝇中
Nbr和Hen1蛋白对piRNA 3’端存在拮抗调节机制。

图1. Nbr与Piwi存在蛋白-蛋白相互作用。

图2. Nbr与Hen1 拮抗调节piRNA3’末端,影响部分转座子沉默效率。

那么这种拮抗的调节机制究竟有什么生理意义呢?研究人员进一步发现随着衰老的进程,果蝇

piRNA长度逐渐缩短并伴随表达丰度的减少,说明piRNA是被年龄调节的(图3. A)。通过对nbr

失突变体衰老进程的测序,研究人员发现缺失nbr的情况下,piRNA长度和丰度不再随年龄减少

(图3. B)。这证实随年龄逐渐变短的piRNA调节依赖于Nbr蛋白的切割随年龄逐渐增强。这是首次

关于piRNA被年龄有序调控的报导,对piRNA研究相关领域是一次重大的突破。

图3. 随着年龄piRNA表现为Nbr依赖的长度逐渐缩短和丰度逐渐减少。

用一个模式图来总结该项研究工作 (图4),Nbr和Hen1的拮抗调节机制维持piRNA在合适长度,

这种平衡在缺失了其中一个蛋白的情况下被打破,类似的情况也发生在其中一个蛋白功能被增

强时。例如Nbr蛋白功能随年龄被逐渐增强,导致piRNA长度逐渐变短,机体可能通过这种调

节机制来有效的应对衰老带来的影响。

图4. 模式图

 

文章链接:http://dev.biologists.org/content/early/2015/12/24/dev.128116.long

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