3月15日，國(guó)際學(xué)術(shù)期刊Nature Communications在線發(fā)表了中國(guó)科學(xué)院分子細(xì)胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心（生物化學(xué)與細(xì)胞生物學(xué)研究所）劉默芳研究組、同濟(jì)大學(xué)丁德強(qiáng)團(tuán)隊(duì)和國(guó)科大杭州高等研究院王鑫合作研究成果：“piRNA loading triggers MIWI translocation from the intermitochondrial cement to chromatoid body during mouse spermatogenesis”。該研究發(fā)現(xiàn)piRNA結(jié)合決定了MIWI蛋白能否在小鼠生精細(xì)胞不同生殖顆粒（Germ granules）間正常轉(zhuǎn)運(yùn)，并證明MIWI轉(zhuǎn)運(yùn)異常致小鼠精子發(fā)生阻滯和雄性不育。
piRNA（PIWI interacting RNA）可與PIWI蛋白特異性地在動(dòng)物生殖系細(xì)胞中表達(dá)，二者形成PIWI/piRNA復(fù)合物，通過(guò)抑制轉(zhuǎn)座子、調(diào)控蛋白質(zhì)編碼基因發(fā)揮功能，為動(dòng)物生殖細(xì)胞發(fā)育分化及生育必需。生殖顆粒是存在于動(dòng)物生殖細(xì)胞胞質(zhì)中的無(wú)膜細(xì)胞器，是RNA生成和代謝的重要場(chǎng)所，對(duì)生殖細(xì)胞發(fā)育分化至關(guān)重要，這類無(wú)膜細(xì)胞器在精子發(fā)生過(guò)程中隨發(fā)育階段不同而呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)多變的模式。大量研究顯示PIWI/piRNA通路與一些生精細(xì)胞特異性生殖顆粒偶聯(lián)。特別是，位于線粒體簇間的Intermitochondrial cement（IMC）和細(xì)胞核周的Chromatoid body（CB）被分別認(rèn)為是piRNA加工成熟和功能的場(chǎng)所，也是被研究得最清楚的兩種生殖顆粒。IMC出現(xiàn)于精子發(fā)生早期，在晚期精母細(xì)胞階段開始消失，直到球形精子細(xì)胞階段完全消失；CB則在IMC消失過(guò)程中逐步出現(xiàn)，最終在球形精子細(xì)胞中聚集形成單一的點(diǎn)狀結(jié)構(gòu)。小鼠PIWI蛋白MIWI、MILI和MIWI2在雄性生殖細(xì)胞中呈現(xiàn)時(shí)空特異性表達(dá)，其中MIWI在初級(jí)精母細(xì)胞階段開始表達(dá)，并主要定位在IMC中參與piRNA加工生成。隨后，MIWI在球形精子細(xì)胞中富集在CB中，執(zhí)行PIWI/piRNA復(fù)合體的生物學(xué)功能。雖然目前已明確了MIWI隨精子發(fā)生進(jìn)程從IMC轉(zhuǎn)移到CB，但如何啟動(dòng)MIWI在兩類生殖顆粒間的轉(zhuǎn)運(yùn)仍是領(lǐng)域內(nèi)懸而未決的問(wèn)題。
鑒于MIWI在IMC中參與piRNA加工成熟、在CB中參與piRNA生物學(xué)功能，研究人員推測(cè)MIWI可能是結(jié)合了piRNA后才從IMC轉(zhuǎn)運(yùn)至CB，也就是說(shuō)會(huì)不會(huì)是piRNA結(jié)合觸發(fā)了MIWI的轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程？為了驗(yàn)證這個(gè)猜測(cè)，研究人員首先構(gòu)建了兩種piRNA結(jié)合缺陷Miwi突變小鼠（MiwiYY/YY和MiwiYK/YK）。先前的研究表明， MIWI在初級(jí)精母細(xì)胞階段表達(dá)后，會(huì)與線粒體錨定的Tudor家族蛋白TDRKH結(jié)合，從而被招募到IMC中。而在MiwiYY/YY和MiwiYK/YK小鼠中， 雖然在精母細(xì)胞中觀察到了piRNA結(jié)合缺陷MIWI突變蛋白被正常定位到了IMC中，但在球形精子細(xì)胞中突變MIWI蛋白卻不能正常轉(zhuǎn)運(yùn)到CB，表明piRNA結(jié)合對(duì)MIWI在精子發(fā)生進(jìn)程中的正常轉(zhuǎn)運(yùn)至關(guān)重要。機(jī)制研究表明，piRNA結(jié)合MIWI后可減弱其與TDRKH的相互作用，故伴隨piRNA在IMC加工成熟及MIWI結(jié)合piRNA，MIWI即與TDRKH解離，進(jìn)而從IMC脫離。研究人員進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，MIWI與TDRKH解離會(huì)暴露其N端的精氨酸殘基，使得PRMT5（蛋白精氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶）對(duì)其甲基化修飾，導(dǎo)致MIWI蛋白離開IMC后即被定位CB的另一Tudor家族蛋白TDRD6識(shí)別結(jié)合，最終被招募到CB中執(zhí)行MIWI/piRNA的生物學(xué)功能。最后，利用構(gòu)建的MiwiYY/YY和MiwiYK/YK小鼠模型，研究人員發(fā)現(xiàn)MIWI轉(zhuǎn)運(yùn)缺陷會(huì)導(dǎo)致MIWI蛋白降解，piRNA生成異常，最終導(dǎo)致小鼠雄性不育。
基于以上研究發(fā)現(xiàn)，研究人員提出了MIWI蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)的工作模型：MIWI在粗線期中期的精母細(xì)胞中表達(dá)，其未甲基化的N端與TDRKH互作而被招募到IMC中參與piRNA的加工。而隨著piRNA加工成熟，會(huì)誘導(dǎo)MIWI的構(gòu)象發(fā)生變化，進(jìn)而減弱其與TDRKH的相互作用，導(dǎo)致其從IMC釋放。從IMC釋放的MIWI暴露其N端的精氨酸殘基，經(jīng)PRMT5甲基化以后，會(huì)促進(jìn)MIWI與TDRD6的相互作用從而被TDRD6招募到CB中。
綜上，此項(xiàng)研究揭示了piRNA結(jié)合MIWI是如何啟動(dòng)并推動(dòng)MIWI從IMC轉(zhuǎn)移到CB的精細(xì)過(guò)程，建立piRNA加工生成和功能發(fā)揮之間的聯(lián)系，并證明了該機(jī)制為精子發(fā)生和雄性生殖必需，為相關(guān)男性不育癥的臨床診治提供了理論依據(jù)和潛在的靶點(diǎn)。
國(guó)科大杭高院生命學(xué)院博士生魏歡，同濟(jì)大學(xué)博士生高潔，分子細(xì)胞卓越中心林迪航博士以及同濟(jì)大學(xué)耿睿嶸碩士為該論文共同第一作者。分子細(xì)胞卓越中心-國(guó)科大杭高院劉默芳研究員、同濟(jì)大學(xué)丁德強(qiáng)教授以及國(guó)科大杭高院王鑫副研究員為該論文的共同通訊作者。該項(xiàng)研究得到了分子細(xì)胞卓越中心李勁松研究員和美國(guó)密歇根州立大學(xué)的Chen Chen教授、分子細(xì)胞卓越中心動(dòng)物實(shí)驗(yàn)技術(shù)平臺(tái)和細(xì)胞分析技術(shù)平臺(tái)的大力協(xié)助，同時(shí)得到了中國(guó)科學(xué)院、基金委、科技部、上海市科委、杭高院、新基石研究員項(xiàng)目等經(jīng)費(fèi)支持。
文章鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-46664-3
小鼠精子發(fā)生中MIWI蛋白從IMC轉(zhuǎn)運(yùn)到CB的精細(xì)途徑模型圖
