研究證明12種動(dòng)物卵細(xì)胞中非編碼小RNA的表達(dá)和潛在功能

3月26日，國際學(xué)術(shù)期刊Genome Biology在線發(fā)表了中國科學(xué)院分子細(xì)胞科學(xué)**創(chuàng)新中心（生物化學(xué)與細(xì)胞生物學(xué)研究所）吳立剛研究組的最新研究成果“Divergent composition and transposon-silencing activity of small RNAs in mammalian oocytes”。該研究證明了哺乳動(dòng)物卵細(xì)胞中非編碼小RNA組成和功能的多樣性，為今后研究非編碼小RNA參與哺乳動(dòng)物卵細(xì)胞發(fā)育的功能和機(jī)制提供了重要基礎(chǔ)。

非編碼小RNA廣泛參與基因的表達(dá)調(diào)控，在生殖細(xì)胞中，主要存在3類非編碼小RNA：microRNA （miRNA）、endogenous small interfering RNA （endo-siRNA）和PIWI-interacting RNA （piRNA）。其中miRNA和endo-siRNA的長度主要集中在22 nt，與Argonaute （AGO）蛋白結(jié)合形成RNA介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄沉默復(fù)合體（RISC），piRNA則與PIWI蛋白結(jié)合形成復(fù)合體。已有研究表明miRNA、endo-siRNA和piRNA在不同物種的卵細(xì)胞發(fā)育中行使的功能存在顯著差別。例如，在果蠅卵細(xì)胞發(fā)育中，miRNA和piRNA的存在均是必須的；在斑馬魚卵細(xì)胞發(fā)育中，只有piRNA是必不可少的；而在小鼠卵細(xì)胞發(fā)育中，僅有endo-siRNA的存在是必須的。以上發(fā)現(xiàn)說明，在動(dòng)物卵細(xì)胞發(fā)育中，非編碼小RNA的組成和功能可能存在極大的多樣性。

目前絕大多數(shù)關(guān)于哺乳動(dòng)物生殖細(xì)胞非編碼小RNA組成和功能的研究在小鼠中進(jìn)行，小鼠中得到的一些結(jié)論也通常會(huì)推及至其他物種。但吳立剛研究組的早期研究表明，在人類卵細(xì)胞中表達(dá)一種新型、結(jié)合PIWIL3且末端無修飾的短piRNA，與經(jīng)典結(jié)合PIWIL1的長piRNA不同（2019,Nature communications）。隨后，吳立剛研究組與南京醫(yī)科大學(xué)李建民課題組合作揭示了在金黃倉鼠這一物種中，piRNA通路不僅調(diào)控精子的發(fā)育，對(duì)卵細(xì)胞的正常發(fā)育以及雌性生殖也是必需的（2021,Nature Cell Biology；2023,Nature communications）。以上研究表明，不同哺乳動(dòng)物卵細(xì)胞內(nèi)非編碼小RNA的組成和功能同樣也具有多樣性。

為了全面分析和系統(tǒng)比較不同哺乳動(dòng)物卵細(xì)胞中非編碼小RNA的組成、特征和潛在功能，研究人員對(duì)12個(gè)物種包括人、食蟹猴、小鼠、大鼠、金黃倉鼠、中國倉鼠、兔子、豚鼠、比格犬、豬、羊和斑馬魚的卵細(xì)胞進(jìn)行mRNA和非編碼小RNA深度測(cè)序和分析。研究人員根據(jù)非編碼小RNA在基因組的分布和序列特征，在12個(gè)物種中均鑒定到了piRNA，除了小鼠，其余11個(gè)物種中的piRNA豐度遠(yuǎn)高于其他類型的小RNA。該結(jié)果表明哺乳動(dòng)物卵細(xì)胞中的piRNA豐度普遍較高，長度分布具有物種特異性。并且，研究人員發(fā)現(xiàn)Endo-siRNA僅在小鼠卵細(xì)胞中表達(dá)，而在其他10種哺乳動(dòng)物的卵細(xì)胞中，都沒有檢測(cè)到endo-siRNA，因此可以推測(cè)大部分哺乳動(dòng)物（包括與小鼠親緣關(guān)系很近的大鼠）的卵細(xì)胞可能并不表達(dá)endo-siRNA，小鼠只是一個(gè)特例，并不適合作為模型來研究非編碼小RNA在雌性生殖調(diào)控中的功能。因此，研究人員認(rèn)為，未來關(guān)于雌性生殖的研究中，在選擇動(dòng)物模型時(shí)，非編碼小RNA組成的相似性應(yīng)該被列為重要的考慮因素之一。

研究人員進(jìn)一步對(duì)哺乳動(dòng)物的卵細(xì)胞進(jìn)行了PIWI蛋白免疫沉淀實(shí)驗(yàn)和微量小RNA高碘酸鈉氧化實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)PIWIL3結(jié)合的os-piRNA在哺乳動(dòng)物卵細(xì)胞中廣泛存在，其3’末端不帶有2’甲氧基修飾。通過分析物種間piRNA序列和piRNA cluster的保守性，發(fā)現(xiàn)物種間piRNA cluster的序列保守性遠(yuǎn)低于其兩側(cè)編碼基因和基因間區(qū)序列，并且piRNA的序列一致性在不同物種中也非常低。研究人員進(jìn)一步分析了在piRNA cluster中分布的轉(zhuǎn)座子組成，發(fā)現(xiàn)其在物種間的差異很大。通過對(duì)轉(zhuǎn)座子的序列變異度進(jìn)行分析，結(jié)果表明低變異度的轉(zhuǎn)座子通常對(duì)應(yīng)更高豐度的piRNA，而低變異度的轉(zhuǎn)座子通常是潛在的活躍的轉(zhuǎn)座子。因此，研究人員推測(cè)為了抵御活躍轉(zhuǎn)座子的威脅，piRNA的序列和豐度在不同物種間發(fā)生了快速進(jìn)化。

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