近日，中國科學院大連化學物理研究所分子反應動力學國家重點實驗室分子模擬與設計研究組研究員李國輝團隊與中國科學院分子細胞科學卓越創(chuàng)新中心（上海生物化學與細胞生物學研究所）研究員劉默芳團隊、上海科技大學教授劉如娟團隊等合作，揭示了piRNA長度調控機制，并發(fā)現(xiàn)其調控異常會導致男性不育。
miRNA、siRNA和piRNA等小RNA與Argonaute家族蛋白形成調控復合物，在表觀遺傳、轉錄及轉錄后等水平發(fā)揮基因表達調控作用。Argonaute家族分為AGO亞家族和PIWI亞家族，其中AGO成員結合的miRNA或siRNA長度遠低于PIWI蛋白所能結合的piRNA。然而，PIWI蛋白為何能結合更長的小RNA以及piRNA長度是否為PIWI/piRNA功能必需均是領域未解之謎。
大連化物所揭示piRNA長度調控機制并發(fā)現(xiàn)其調控異常會致男性不育
本工作中，實驗合作團隊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。進一步的生化實驗發(fā)現(xiàn)PIWI-Ins元件突變會導致小鼠PIWIL1（MIWI）結合的piRNA長度變短，表明PIWI-Ins元件有助于PIWI家族蛋白結合更長的小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長度的結構基礎，李國輝團隊進行了PIWI/piRNA復合物結構建模，并通過系統(tǒng)的分子動力學模擬研究，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構保守性，均處于piRNA結合通道的一側。PIWI-Ins元件的長度和電荷狀態(tài)均可以影響piRNA結合通道的大小，賦予不同PIWI蛋白對于piRNA長度選擇的差異；當PIWI-Ins元件缺失或突變，piRNA結合通道變短，從而導致最終加工產(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，且理論預測的關鍵氨基酸位點均得到交聯(lián)質譜實驗驗證。該工作闡明了PIWI-Ins元件調控piRNA長度的分子機制，為男性不育等疾病藥物研發(fā)提供了潛在的靶點。
相關成果以“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：生命科學》（Science China Life Sciences）上，并被選為封面文章和研究亮點（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基金、中科院B類先導專項“生物大分子復合體結構與功能的跨尺度研究”等項目的支持。
