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)卓越創(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參與哺乳動物卵細(xì)胞發(fā)育的功能和機制提供了重要基礎(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)于哺乳動物生殖細(xì)胞非編碼小RNA組成和功能的研究在小鼠中進行，小鼠中得到的一些結(jié)論也通常會推及至其他物種。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12個物種包括人、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)胞進行mRNA和非編碼小RNA深度測序和分析。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個物種中均鑒定到了piRNA，除了小鼠，其余11個物種中的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種哺乳動物的卵細(xì)胞中，都沒有檢測到endo-siRNA，因此可以推測大部分哺乳動物（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，在選擇動物模型時，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。
研究人員進一步對哺乳動物的卵細(xì)胞進行了PIWI蛋白免疫沉淀實驗和微量小RNA高碘酸鈉氧化實驗，發(fā)現(xiàn)PIWIL3結(jié)合的os-piRNA在哺乳動物卵細(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。通過對轉(zhuǎn)座子的序列變異度進行分析，結(jié)果表明低變異度的轉(zhuǎn)座子通常對應(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)生了快速進化。
分子細(xì)胞卓越中心侯麗博士和劉偉博士為該論文的共同第一作者。分子細(xì)胞卓越中心吳立剛研究員為該論文的通訊作者。該研究得到上海市生物醫(yī)藥技術(shù)研究院生殖健康研究所施惠娟研究員的大力協(xié)助、得到了分子細(xì)胞卓越中心實驗動物技術(shù)平臺、生物信息學(xué)平臺和高性能計算存儲與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)中心的大力支持，同時得到了國家自然科學(xué)基金委、科技部、中國科學(xué)院、上海市的經(jīng)費支持。
文章鏈接：https://genomebiology.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13059-024-03214-w
