Nature: piRNA解释昆虫学界世纪问题

最近，日本东京大学研究者在Nature上发表论文，公布了他们关于家蚕性别决定的最新进展。在论文中，研究者描述了他们所发现的一个piRNA—FempiRNA，并详细阐明了该piRNA的来源及其在家蚕性别决定机制中的关键作用。 不同于哺乳动物，家蚕的性染色体为WZ型，雄性有两个Z染色体，而雌性则有一个W染色体，一个Z型染色体。家蚕的性别决定是在胚胎形成早期完成的，之前的研究已经发现，W染色体决定胚胎是否会发育成雌性成虫，但由于W染色体上几乎完全被转座子占据，基本上没有任何编码蛋白的基因，所以研究者一直未能鉴别出W染色体上决定雌性性别的基因。 本文中，研究者首先检测了雌性和雄性家蚕胚胎的Bmdsx基因，该基因是控制家蚕性别分化的关键基因，可通过选择性剪切，产生雌性和雄性所特有的mRNA，决定性别方向。

结果表明，雌性Bmdsx在雌雄两种家蚕的胚胎发育早期就已出现，而雄性Bmdsx只在雄性胚胎中很明显，但雌性胚胎在发育21小时后才开始出现。这表明雌性Bmdsx在胚胎早期就一直存在，或许是由W染色体直接表达而来，而雄性Bmdsx则可能有其他调控机制，控制雄性胚胎产生。 接下来，研究者对产卵后不同时间点两种胚胎进行RNA-Seq及RT-qPCR检测，力图发现在两种胚胎发育过程中与雄性Bmdsx调控有关的转录本。通过分析，他们在雌性胚胎中注意到存在于W染色体上的一个非编码序列—comp73859_c0，并认为它是一个piRNA前体。

通过比对胚胎或卵巢piRNA，使用northern blotting，研究者在此序列转录本中鉴定出一个长度29nt的piRNA，并结合piRNA文库筛选，确定这个piRNA是由W染色体性别决定区产生的。 为了确定此piRNA的功能，研究者使用piRNA抑制剂，考察早期胚胎中该piRNA对于Bmdsx基因的影响，结果发现，在使用piRNA 抑制剂处理的雌性胚胎中，出现了雄性Bmdsx，而雄性胚胎则没有影响；使用siRNA处理piRNA作用通路的两个核心组件Siwi及BmAgo3后，发现在沉默Siwi时，雌性胚胎会产生雄性Bmdsx，但对雄性胚胎没有影响，而沉默BmAgo3在两种胚胎中都不会对Bmdsx产生影响。

这表明雌性胚胎需要此piRNA才能维持雌性Bmdsx，且Siwi对piRNA的产生是必需的，研究者将此piRNA命名为Feminizer（Fem）。 对于Fem所参与的通路，研究者鉴定了一个位于Z染色体上的一个与Fem互补的基因座—Masculinizer（Masc）。该基因通过在全Z染色体上抑制基因表达，在胚胎时期控制剂量补偿和雄性化。

通过5’RACE实验，发现MascmRNA是FempiRNA的剪切靶点；同时，PIWI-Masc piRNA复合体也可以剪切FemRNA。另外，在RNA免疫共沉淀（RIP）中又发现FempiRNA与Siwi蛋白结合，MascpiRNA与BmAgo3蛋白结合。

不同于FempiRNA，一定量的MascpiRNA-BmAgo3复合体在新生卵细胞中就存在，这也解释了为什么在雌性胚胎中BmAgo3RNAi对Bmdsx没作用。由此，研究者总结出了FempiRNA的乒乓模型，该模型由FempiRNA及MascpiRNA作为伙伴，配合Siwi及BmAgo3两种蛋白共同组成。

FempiRNA的产生，导致MascmRNA被剪切，产生MascpiRNA，同时产生雌性Bmdsx，且Fem piRNA对于雌性保持是必须的。

本文阐明了一个困扰昆虫遗传学界将近一个世纪的问题，解释了W染色体决定家蚕雌性特征的机制，鉴定出鳞翅目中一个主要性别决定因子—FempiRNA，确定了一个FempiRNA/Masc/Bmdsx性别决定通路，这也为piRNA介导性别决定提供了证据。piRNA作为近几年发现的一类非编码RNA，有着与众不同的作用于调控机制，对于生殖调控，意义尤其重大。本文所建立的家蚕piRNA研究策略，非常具有借鉴意义，研究者灵活运用了RNAi、RNA-Seq及RIP等转录组学研究方法，对piRNA的功能与调控进行了多角度全方位探索。

近期，来自中科院上海生命科学研究院的刘默芳课题组，也在Cell Research上发表论文，证实在精子发生后期粗线期piRNAs导致了大量的mRNA消失，这也是中国科学家在piRNA研究中的一项重要发现。

在未来研究中，研究者或许可以通过RNAi等技术，特异性作用于某个piRNA或其通路中的关键元件，达到控制性别或其他治疗作用。作为最具实力转录组学研究专家，锐博生物已建立了全面的RNA服务平台、研发出优质的RNA类实验产品，并在2013年建立起国内首条cGMP寡核酸生产线，在piRNA等转录组学研究领域具有丰富经验，可为研究者提供最完善的piRNA研究策略。

目前国内piRNA研究方兴未艾，锐博生物竭诚希望，为包括刘默芳课题组在内的众多研究者提供优秀的piRNA解决方案，助力研究者发现更多piRNA奥秘！