近日，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所分子反應(yīng)動力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室分子模擬與設(shè)計研究組研究員李國輝團(tuán)隊(duì)與中國科學(xué)院分子細(xì)胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心（上海生物化學(xué)與細(xì)胞生物學(xué)研究所）研究員劉默芳團(tuán)隊(duì)、上?？萍即髮W(xué)教授劉如娟團(tuán)隊(duì)等合作，揭示了piRNA長度調(diào)控機(jī)制，并發(fā)現(xiàn)其調(diào)控異常會導(dǎo)致男性不育。
miRNA、siRNA和piRNA等小RNA與Argonaute家族蛋白形成調(diào)控復(fù)合物，在表觀遺傳、轉(zhuǎn)錄及轉(zhuǎn)錄后等水平發(fā)揮基因表達(dá)調(diào)控作用。Argonaute家族分為AGO亞家族和PIWI亞家族，其中AGO成員結(jié)合的miRNA或siRNA長度遠(yuǎn)低于PIWI蛋白所能結(jié)合的piRNA。然而，PIWI蛋白為何能結(jié)合更長的小RNA以及piRNA長度是否為PIWI/piRNA功能必需均是領(lǐng)域未解之謎。
大連化物所揭示piRNA長度調(diào)控機(jī)制并發(fā)現(xiàn)其調(diào)控異常會致男性不育
本工作中，實(shí)驗(yàn)合作團(tuán)隊(duì)在男性不育癥患者中發(fā)現(xiàn)了PIWIL1基因新遺傳突變（R370W），該突變位于PIWI蛋白上功能未知的PIWI-Ins元件中，但不存在于AGO亞家族蛋白。進(jìn)一步的生化實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)PIWI-Ins元件突變會導(dǎo)致小鼠PIWIL1（MIWI）結(jié)合的piRNA長度變短，表明PIWI-Ins元件有助于PIWI家族蛋白結(jié)合更長的小RNA。同時，雄性小鼠體內(nèi)變短的piRNA會損傷其翻譯激活能力，引起精子發(fā)生阻滯，顯示該突變?yōu)槟行圆挥虏⌒酝蛔儭?/p>
為了揭示PIWI-Ins元件決定piRNA長度的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，李國輝團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了PIWI/piRNA復(fù)合物結(jié)構(gòu)建模，并通過系統(tǒng)的分子動力學(xué)模擬研究，發(fā)現(xiàn)PIWI-Ins元件在所有的PIWI家族蛋白成員中具有序列和結(jié)構(gòu)保守性，均處于piRNA結(jié)合通道的一側(cè)。PIWI-Ins元件的長度和電荷狀態(tài)均可以影響piRNA結(jié)合通道的大小，賦予不同PIWI蛋白對于piRNA長度選擇的差異；當(dāng)PIWI-Ins元件缺失或突變，piRNA結(jié)合通道變短，從而導(dǎo)致最終加工產(chǎn)生的piRNA長度縮短。除了小鼠MIWI之外，PIWI-Ins元件對于piRNA長度的調(diào)控作用也廣泛存在于MILI、MIWI2和HIWI3等其它PIWI家族蛋白成員中，且理論預(yù)測的關(guān)鍵氨基酸位點(diǎn)均得到交聯(lián)質(zhì)譜實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。該工作闡明了PIWI-Ins元件調(diào)控piRNA長度的分子機(jī)制，為男性不育等疾病藥物研發(fā)提供了潛在的靶點(diǎn)。
相關(guān)成果以“The PIWI-specific Insertion Module Helps Load Longer piRNAs for Translational Activation Essential for Male Fertility”為題，于近日發(fā)表在《中國科學(xué)：生命科學(xué)》（Science China Life Sciences）上，并被選為封面文章和研究亮點(diǎn)（Research Highlight）。大連化物所博士王安輝為該工作的共同第一作者。上述工作得到國家自然科學(xué)基金、中科院B類先導(dǎo)專項(xiàng)“生物大分子復(fù)合體結(jié)構(gòu)與功能的跨尺度研究”等項(xiàng)目的支持。
文章鏈接：https://doi.org/10.1007/s11427-023-2390-5
同期研究亮點(diǎn)鏈接：https://doi.org/10.1007/s11427-023-2402-x
