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中科院生化细胞所刘默芳组Cell揭示MIWI/piRNA复合体在精子形成中的新调控机制

 

基本信息

题目:A Translation-Activating Function of MIWI/piRNA during Mouse Spermiogenesis
期刊:Cell
影响因子:36.216
客户单位:中国科学院生物化学与细胞生物学研究所
ABclonal合作技术:MIWI蛋白表达及抗体定制,适用于WB、IF、RIP

 

1、导读

减数分裂后的精子形成(spermiogenesis)是动物体内一种高度复杂的生化和细胞形态变化过程。基因表达的时空特异性调控对于该过程的顺利进行具有至关重要的作用。在精子细胞发育后期,染色质中的组蛋白被鱼精蛋白取代使染色质高度压缩,导致基因转录终止,那些为后期精子细胞发育所需的基因就需要在早期精子细胞阶段提前转录成mRNA,并以核糖核蛋白体(mRNP)的形式储备起来,在之后的特定发育阶段激活翻译。因此,相对于体细胞,精子细胞中mRNA转录与翻译的解偶联是一个非常普遍的事件。然而,到目前为止,对精子细胞中调控mRNA转录与翻译解偶联的分子机制还知之甚少。

piRNA是在动物生殖系细胞中发现的一类小分子非编码RNA,因其特异性地与生殖细胞专一性PIWI家族蛋白相互作用而被命名为PIWI-interacting RNA,简称为piRNA。目前认为,piRNA与PIWI蛋白形成的复合体可以沉默基因组中的可移动性遗传元件,从而维持生殖细胞基因组的稳定性和完整性【1】。近期的研究发现,PIWI/piRNA除了沉默转座子的表达之外,还可以在转录后水平以miRNA/siRNA的方式沉默mRNA的表达【2】。虽然已有研究发现PIWI/piRNA存在于多聚核糖体中的现象,提示PIWI/piRNA可能参与mRNA的翻译调控,然而具体的机制不得而知。

2019年12月12日,中国科学院分子细胞科学卓越创新中心(生物化学与细胞生物学研究所,简称“分子细胞中心”)刘默芳研究组与国内外多家实验室合作在Cell杂志上在线发表了题为“A Translation-Activating Function of MIWI/piRNA during Mouse Spermiogenesis”的文章,揭示了精子细胞内的PIWI/piRNA复合体可作为蛋白质生产的调控“机器”,激活小鼠精子细胞中蛋白质的翻译,保障功能性精子的生成。该研究揭示了精子细胞中翻译和蛋白质合成的新调控机制,为精子形成障碍及相关男性不育症的诊断治疗提供理论依据和方法技术。

为了探究PIWI蛋白-MIWI与它结合的piRNA的生物学功能。研究人员首先用MIWI特异性抗体进行免疫共沉淀,富集与MIWI蛋白结合的RNA。研究人员发现,在单倍体精子细胞中MIWI蛋白不仅可以结合已知的piRNA,还可以结合mRNA。为了研究MIWI结合的piRNA与mRNA的关系,研究人员利用研究miRNA的方法,构建含有预测靶基因3’UTR序列的荧光素酶报告基因,筛选了一些在翻译水平上受到MIWI/piRNA“正向”调控的基因。并进一步鉴定到真核生物翻译起始因子eIF3f 和RNA结合蛋白HuR等蛋白“协助”完成此过程。研究人员推测MIWI /piRNA 复合体通过促进翻译起始阶段“loop”结构的形成,激活了靶基因的表达。

《中科院生化细胞所刘默芳组Cell揭示MIWI/piRNA复合体在精子形成中的新调控机制》

MIWI/piRNA介导的翻译激活模型

为了探究这一机制是否对内源靶基因的表达具有调控作用?研究人员发现,受到MIWI/piRNA调控的靶基因在小鼠精子发生过程中存在“转录-翻译解偶联”的现象。通过沉默内源MIWI、HuR等蛋白的表达,靶基因的蛋白表达受到了明显抑制。在筛选到的靶基因中,Agfg1和Tbpl1对于小鼠精子的顶体组装至关重要。研究人员发现,敲低MIWI表达的精子出现了明显的顶体组装异常。这些实验表明MIWI/piRNA复合体通过调控相关蛋白的表达参与了顶体的组装。

《中科院生化细胞所刘默芳组Cell揭示MIWI/piRNA复合体在精子形成中的新调控机制》

敲低Miwi表达影响精子的顶体组装

此项研究发现了精子发育过程中蛋白质翻译激活的重要机制,极大地促进了我们对精子形成生物学过程的认识和了解,将为相关男性不育症的早期分子诊断及临床治疗提供了理论依据和方法策略。

该项研究工作由分子细胞中心刘默芳研究组与武汉大学周宇研究组、上海市计划生育科学研究所施惠娟研究组合作完成。分子细胞中心戴鹏博士、王鑫博士,美国加州大学圣地亚哥分校苟兰涛博士、分子细胞中心博士研究生李智彤、温泽和武汉大学博士研究生陈宗贵为该研究论文的共同第一作者。此项研究同时得到了美国加州大学圣地亚哥分校付向东教授、分子细胞中心李党生研究员、李劲松研究员等的大力协助。该项成果受到了国家自然科学基金委、科技部、中科院、教育部、上海市科委、中国博后基金、SA-SIBS等的经费支持。该工作的数据收集还得到了分子细胞中心公共技术服务中心动物实验技术平台、分子生物学技术平台、细胞分析技术平台、化学生物学技术平台和国家蛋白质科学中心(上海)等的支持。

 

参考文献

【1】Klattenhoff C. and Theurkauf W. (2008). Biogenesis and germline functions of piRNAs. Development 135, 3-9.
【2】 Ozata D.M., Gainetdinov I., Zoch A., O’Carroll D., Zamore P.D. (2019). PIWI-interacting RNAs: small RNAs with big functions. Nat. Rev. Genet. 20, 89-108.

 

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