[Regulation of fertility by the small RNA pathway that defends the genome against transposons].

Abstract

Small RNAs can silence transposons at transcriptional or post-transcriptional level. Newly identified small RNAs (e.g., piRNAs and endo-siRNAs) can repress the activity of transposons. Drosophila piRNAs, mouse piRNAs, mouse endo-siRNAs, and their related proteins are expressed primarily within the germline. This suggests that the small RNA pathway plays an important role in transposon silencing of the germline. Recent studies revealed the connection between small RNAs, transposon silencing, and the regulation of fertility, but the mechanism has not been clarified in detail. In this review, the advances in the control of genomic transposon activity and the regulation of fertility by the small RNA pathway were summarized and discussed.

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HEREDITAS (Beijing) 2010 年 1 月, 32(1): 11―16
ISSN 0253-9772 www.chinagene.cn
综 述

收稿日期: 2009−05−23; 修回日期: 2009−07−17
基金项目: “985 工程”资助子项目(编号：985-2-054-29), 国家自然科学基金项目(编号：30700824), 广东省医学科研基金项目(编号：A2008634)
和 973 计划前期研究专项课题
作者简介: 石敏(1979−), 女, 助理研究员, 硕士, 研究方向：生殖医学。Tel: 0755-83923333-8704; E-mail: walkjimi@yahoo.com.cn
通讯作者: 蔡志明(1956−), 男, 教授, 博士, 研究方向：生殖医学。Tel: 0755-83923333; E-mail: caizhiming2000@yahoo.com.cn
DOI: 10.3724/SP.J.1005.2010.00011
抑制基因组转座子活性的小 RNAs 在生育调节中的作用
石敏, 唐爱发, 蔡志明
北京大学深圳医院 男性生殖与遗传广东省重点实验室, 深圳 518036
摘要: 小 RNAs 可以在转录和转录后水平沉默转座子, 最近发现的几类小 RNAs(piRNAs、 endo-siRNAs)均具有
抑制转座子活性的作用, 其中, 果蝇 piRNAs、小鼠 piRNAs、小鼠 endo-siRNAs 及其相关蛋白主要在生殖系表
达, 说明小 RNAs 作用途径在生殖系转座子沉默中扮演着重要角色。最新的研究揭示了小 RNAs、转座子沉默、
生殖生育调节之间的联系, 然而其具体作用机制尚未得到阐明。文章综述了小 RNAs 对基因组转座子活性的控
制及其在生育调节中的作用。
关键词: 小 RNAs; 生殖系; 转座子沉默
Regulation of fertility by the small RNA pathway that
defends the genome against tansposons
SHI Min, TANG Ai-Fa, CAI Zhi-Ming
Guangdong Province Key Laboratory of Male Reproduction and Heredity, Peking University Shenzhen Hospital, Shenzhen 518036, China
Abstract: Small RNAs can silence transposons at transcriptional or post-transcriptional level. Newly identified small
RNAs (e.g., piRNAs and endo-siRNAs) can repress the activity of transposons. Drosophila piRNAs, mouse piRNAs, mouse
endo-siRNAs, and their related proteins are expressed primarily within the germline. This suggests that the small RNA
pathway plays an important role in transposon silencing of the germline. Recent studies revealed the connection between
small RNAs, transposon silencing, and the regulation of fertility, but the mechanism has not been clarified in detail. In this
review, the advances in the control of genomic transposon activity and the regulation of fertility by the small RNA pathway
were summarized and discussed.
K eywords: small RNAs; germline; transposon silencing
转座子(Transposon)是基因组中可以移动位置
的 DNA序列, 其本质是病毒等病原体入侵之后遗留
在宿主基因组中的 DNA 序列。 小 RNAs 可以在转录
和转录后水平沉默转座子, 最新的研究发现, 生殖
细胞特异性小 RNA 作用途径在转座子沉默中扮演
着重要角色。本文综述了小 RNAs 对基因组转座子
活性的控制及其在生育调节中的作用。
1 转座子与生育
转座子广泛存在于真核生物基因组中, 作为寄

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生物在宿主基因组中繁殖, 并与宿主基因组一同进
化。经过漫长的进化, 转座子已成为真核生物基因
组的重要组成成分: 人类基因组 42%由逆转座子(Ⅰ
类转座子, 通过复制−粘贴进行转座)构成, 2%~3%
由DNA转座子(Ⅱ类转座子, 通过剪切−粘贴实现转
座)构成; 小鼠基因组约 40%由转座子构成, 同样主
要为逆转座子, 局限于IAP、LINE1、SINE B1 几种
组分。 正常情况下, 转座子的活性受到严密控制, 如
小鼠基因组中的L1 转座子, 约 60 万拷贝无活性, 只
有约 3 000 拷贝有活性[1]。
生殖细胞维系着物种的繁殖和进化, 其抵制、纠
正内外源干扰和损害的能力具有极其重要的意义,
未受控制的转座子活性直接损害个体生育力。另一
方面, 生殖细胞经历DNA大规模去甲基化和重新甲
基化的发育过程, 且大量特异性基因的表达使生殖
细胞染色质处于松散状态, 因此生殖细胞要求比体
细胞更严格的调控手段来抑制转座子活性。已知小
鼠Dnmt3l突变导致生精细胞DNA重新甲基化障碍,
结果转座子不能被甲基化, 活性增高, 表达增强,
最终表现为减数分裂阻滞和不育[2]。
2 小 RNAs 与转座子活性控制
经典的 RNA 干扰途径为: 核酸酶 Dicer 剪切双
链前体产生小 RNAs, 小 RNAs 与 Argonaut 蛋白结
合形成 RNA诱导沉默复合体(RNA-induced silencing
complex, RISC), Argonaut 蛋白的 PIWI 结构域具有
核酸酶 H 样基序, 具备核酸酶活性, 在小 RNA 的指
导下剪切靶 RNA 转录本; 此外 RISC 还具备抑制蛋
白合成和介导染色质修饰导致转录水平抑制的能
力。 新发现几类对应于重复序列的小 RNAs, 如植物
内独特的 24~26 nt siRNAs, 酵母着丝粒小 RNAs,
果蝇、哺乳类的 endo-siRNAs 和生殖细胞特异性
piRNAs, 它们具有独特的合成和扩增途径, 在沉默
重复序列、抑制转座子活性中发挥作用。
2.1 piRNAs 与生殖系转座子沉默
RISC 核心成分 Argonaut 蛋白可以分为两大类:
AGO 类, 以拟南芥(Arabidopsis thaliana L.) Argo-
naute1 为代表, 在生物体内广泛表达, 与 miRNAs 和
siRNAs 结合, 参与转录和转录后水平的基因沉默;
Piwi (Pelement-induced wimpy testis) 类 , 以 果 蝇
(Drosophila melanogaster)Piwi 为代表, 具有组织表
达特异性, 与 piRNAs(Piwi-interacting RNAs)结合。
PiRNAs 是一类新发现的小 RNAs, 特异性在生殖系
表 达 , 富 集 重 复 序 列 , 长 度 为 24~31 nt, 长 于
20~24 nt 的 miRNAs 和 siRNAs。
2.1.1 piRNAs 的序列特点
果蝇piRNAs在基因组上成簇分布于异染色质
区, 15 个大簇包含了 70%的piRNAs[3]。piRNAs簇位
于果蝇基因组重复序列最集中的区域, 主要由转座
子远古片段构成, 其形成的piRNAs与果蝇转座子全
部主要种类和元素家族相匹配, 包括roo、I元件、
gypsy和su(ste)(stellate抑制子)位点[4, 5]。果蝇piRNAs
序列在基因组上分布的特点, 与其调节转座子活性
的功能相呼应。
斑马鱼(Brachydanio rerio) piRNAs中 40％对应
于转座子重复序列, 相对于基因组重复序列含量
30%~40%, piRNAs中重复序列有稍许富集。斑马鱼
piRNAs序列、结构特点及作用途径均与果蝇接
近[6, 7]。
哺乳动物piRNAs研究的数据显示其与果蝇、 斑马
鱼piRNAs之间存在较大差异: 果蝇、斑马鱼piRNAs
在雌雄生殖系均有表达, 哺乳动物piRNAs目前仅在
雄性生殖细胞中发现; 果蝇、斑马鱼piRNAs簇在基
因组DNA双链上同时存在, 表达正反向piRNAs, 而
哺乳动物piRNAs在基因组上表现出强烈的单链成
簇分布特性, 表达同向piRNAs; 在序列上, 哺乳动
物 如 大 鼠 (Rattus norvegicus) 、 人 (Homo sapiens
L.)piRNAs选择性剔除了重复序列和转座子序列,
超过 90%的piRNAs在基因组中定位于特定位置[8, 9]。
由于哺乳动物piRNAs来自于进化上位置保守但序
列不保守的大型基因簇, 推测其piRNAs功能与基因
组位置相关, 而不是序列。 然而最新的研究显示, 小
鼠(Mus musculus L.)前粗线期piRNAs表现为转座子
富集, 粗线期piRNAs虽然转座子含量少, 却大部分
与前粗线期piRNAs来自相同的基因组位点[10]; 小鼠
前精原细胞piRNAs表现转座子富集, 且同时存在单
链簇和双链簇分布[11, 12]; 更深入的研究也许将进一
步揭示哺乳动物与非哺乳动物piRNAs之间的一致
性。

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2.1.2 piRNAs 乒乓循环扩增
果蝇Piwi类包含 3 个蛋白: Piwi、Aub和AGO3,
其中, Piwi和Aub倾向于与转座子反义序列结合,
AGO3 倾 向 于 与 转 座 子 正 义 序 列 结 合 。 已 知
Argonaute具有从靶分子 5′端 10 nt处进行剪切的能
力, 由于特定转座子的正义、 反义piRNAs 在 5′端相
隔 10 nt处精确重叠, 提示Piwi类蛋白参与正义、反
义piRNAs 5′端的生成。参照植物、裂殖酵母、线虫
通过RNA依赖的RNA聚合酶(RNA dependent RNA
polymerase, RDRP)产生次级siRNAs的过程, 研究者
提出用乒乓循环模型来解释piRNAs的合成扩增[3, 13]:
piRNA簇来源的初级piRNAs, 反义于转座子转录本,
识别并剪切转座子转录本, 产生正义piRNAs, 即次
级piRNAs; 次级piRNAs与AGO3 结合, 识别并剪切
piRNA簇转录产物, 产生反义piRNAs, 扩增得到的
反义piRNAs既可启动下一轮循环, 又可用于沉默转
座子。果蝇piRNAs富集转座子反义序列, 虽然与其
识别沉默转座子mRNA的功能一致, 但实际上多数
piRNA簇转座子排列方向具有随意性, 且DNA双链
均产生piRNAs。乒乓循环扩增模型解释了该现象产
生的原因: 通过调节正负反应催化蛋白(Piwi/Aub和
AGO3)的丰度和活性, 可以使整体反应倾向于产生
反义piRNAs。
转座子富集piRNA簇和乒乓循环构成基于小
RNAs的免疫系统, 依据转座子转座移动的特性区
分转座子(非自身)与宿主(自身)DNA: piRNA簇是转
座子暴露的遗传记录, 为乒乓循环供应初级piRNAs
和 piRNA簇 转 录 产 物 ; 乒 乓 循 环 中 , 初 级 反 义
piRNAs与活化转座子转录本相结合的情况决定了
整个循环扩增反应的活性, 在转座子转录活性高时
产生更多反义piRNAs对转座子进行沉默。在果蝇进
化过程中, 外来移动元件一旦插入piRNA簇便会启
动转座控制, 例如P元件插入X-TAS位点, 成为被监
控对象[14]。
在乒乓循环之外, 发现仅表达Piwi、不表达Aub
和AGO3 的果蝇卵巢体细胞, 细胞内仅存在反义
piRNAs, 缺乏正义piRNAs, 说明乒乓循环在此不发
生作用, 果蝇卵巢体细胞只存在产生反义piRNAs的
初级处理体系[3]。
2.1.3 piRNAs 在生殖系转座子沉默中的作用及相
关遗传学证据
生殖细胞要求比体细胞更严格的调控手段来抑
制转座子活性, piRNAs 沉默转座子途径在其中扮演
重要角色。由于 Piwi 类蛋白及 piRNAs 特异性在生
殖细胞表达, piRNAs 乒乓循环扩增广泛存在于果
蝇、 斑马鱼和小鼠生殖系, 提示 piRNAs 转座子沉默
途径是生殖系抵御转座侵扰的保守机制。
果蝇重复相关siRNAs (Repeat-associated small
interfering RNAs , rasiRNAs)是最早发现的piRNAs,
特异性地表达于性腺组织。果蝇Piwi类蛋白Piwi、
Aub和AGO3 均大量表达于性腺组织, 其中, Piwi突
变导致卵子发育障碍和雌、雄生殖干细胞脱落[15, 16];
Aub突变导致配子发育障碍, 生殖细胞染色体出现
大量dsDNA断裂[17, 18]; AGO3 突变导致卵子发育障
碍, 雌性不育, 生精干细胞减少, 雄性生育能力下
降[19]。在这些突变体的生殖细胞中, 均发现与
miRNA相关蛋白和经典RNA干扰途径无关的转座子
活性增强现象。Piwi突变体表现出转座子gypsy的活
动及copia、mdg1 元件表达增强。Aub突变体表现出
端粒逆转座子TART及P元件转座增强。 此外, 在果蝇
“杂种不育”现象中, 必须有Piwi蛋白来参与生殖系
转座抑制, 提示通过母系传递的细胞质因子即为
piRNAs[20]。
线虫(Caenorhabditis elegans)表达长 21 nt、5′
端 第 一 位 为 尿 嘧 啶 U(1st-U)的 小 RNAs, 称 21U
RNAs。线虫 21U RNAs来源于大型基因簇, 与Piwi
同系物相结合, 具有维护生殖系的作用, 被认为是
线虫piRNAs[21]。
斑马鱼piRNAs在卵巢和睾丸表达, 主要来自逆
转座子, 其结构特点提示与果蝇乒乓循环一致的
piRNAs扩增途径。斑马鱼Piwi类蛋白Ziwi和Zili导致
转座激活, 生殖细胞脱落, 生殖细胞分化与减数分
裂障碍[6, 7]。
小鼠piRNAs及Piwi蛋白(Miwi、Mili和Miwi2)仅
在睾丸表达, 其乒乓循环中正义piRNAs为初级
piRNAs, 反义piRNAs为次级piRNAs; Mili结合正义
piRNAs, Miwi2 结合反义piRNAs[11]。小鼠mili和
miwi2 突变均导致减数分裂阻滞型雄性不育, 转座
子LINE1 和IAP在睾丸内的表达增强[10, 22]。

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2.1.4 发生在转录水平的 piRNAs 转座子沉默
一般认为, 生殖细胞中的转座子转录本激活乒
乓循环扩增, 扩增得到的 piRNAs 与转座子转录本
结合, 在转录后水平沉默转座子。然而, piRNAs 转
座 子 沉 默 还 可 以 发 生 在 转 录 水 平 , 其 模 式 是 :
piRNAs 在细胞质特定位置合成, 移位到细胞核内,
对相应位置染色质进行修饰, 沉默转座子。
小鼠piRNAs转座子沉默与DNA甲基化相 关
[11, 12]。 Mili和Miwi2 蛋白均表达在前精原细胞, 此时
正是生精细胞DNA重新甲基化得以建立的时期。
Mili和Miwi2 突变小鼠睾丸内相应转座子的甲基化
水平降低, 说明Mili和Miwi2 参与生精细胞转座子
甲基化调节。
果蝇piRNAs通路成分Spindle-E、Piwi和Aub 通
过组蛋白修饰在转录水平沉默体细胞基因[23], 然而
果蝇piRNAs通路在转录水平沉默转座子的证据很
少, 且卵巢转座子沉默中未发现转录调控的影 响
[24]。
2.2 endo-siRNAs 与转座子沉默
经典RNAi途径可产生对应于重复序列内源性
小 RNAs, 果 蝇 体 细 胞 和 生 殖 系 均 发 现 内 源 性
siRNAs(endo-siRNAs) 。 endo-siRNAs 是 dsRNAs 在
Dicer2 作用下形成的小RNAs, 存在大量重复序列,
长度~21 nt, 与AGO2 相结合。已有的研究发现
piRNA 簇 和 散 在 转 座 子 拷 贝 都 可 能 参 与 endo-
siRNAs生成, 但dsRNAs的来源目前尚不清楚。细胞
培养实验显示endo-siRNA通路对于大量转座子沉默
是必需的[25]。然而, 用遗传学手段干扰endo- siRNA
通路, 发现突变体果蝇存活并可育[26]。 目前认为, 在
果蝇生殖系, piRNA通路对endo-siRNA通路起补偿
作用。
哺乳动物卵母细胞包含大量对应于基因和重复
序列的endo-siRNAs, 而piRNA通路不是必需的, 提
示piRNA通路与endo-siRNA通路互为补偿。小鼠卵
母细胞endo-siRNAs来自逆转座子、 基因和假基因区,
由颠倒重复、双向转录本、正义基因转录本和反义
假基因转录本, 形成dsRNAs。遗传学研究发现: 在
Dicer、Ago2 或Mili缺失小鼠卵母细胞中, LINE1 表
达不变, 提示小鼠卵母细胞中LINE1 通过piRNA通
路和endo-siRNA通路在转录后水平共同调节; 而转
座子家族MT表达仅通过endo-siRNA通路调节, 在
Dicer或Ago2 缺失小鼠卵母细胞中表达上调; IAP表
达仅通过Mili调节[27, 28]。
2.3 酵母小 RNAs 与着丝粒沉默
裂殖酵母(Schizosaccharomyces pombe L.)着丝
粒通过小RNA介导的染色质修饰(形成异染色质)得
以沉默, AGO和Dicer在该过程中起作用[29]。着丝粒
重复序列正义和反义转录本结合, 指导AGO对其进
行剪切, 剪切产物激活RDRP复合物依照靶转录本
(正义链)生成反义RNA。产生的dsRNAs进入下一轮
扩增循环, 或被Dicer处理成 21~24 nt的siRNAs, 通
过SHREC复合物指导组蛋白修饰, 形成染色质沉默
状态。该通路在具体生理过程中的作用表现为: 着
丝粒重复区在细胞分裂间期不转录, 在细胞分裂时,
新复制的染色体着丝粒重复区具有转录活性, 转录
产物激活小RNA沉默途径, 帮助分裂后的细胞着丝
粒区异染色质化, 实现着丝粒沉默。
2.4 植物 siRNAs 与转座子沉默
植物独特的 24~26 nt siRNAs与转座子沉默、 DNA
甲基化相关[30]。RNA聚合酶Ⅳ或Ⅴ识别重复序列转
录本, 通过RNA依赖的RNA聚合酶 2 复合物将其转
换为dsRNAs, 经DCL3 处理形成~24 nt的siRNAs, 与
AGO4 相结合。该通路的破坏将导致转座子甲基化
丢失, 表达增强。
3 小结与展望
转座子广泛存在于真核生物基因组中。多个物种
小RNAs 具有沉默转座子的作用, 说明“小RNAs沉默
转座子”机制在进化上具有保守性, 提示RNA干扰可
能是非常早的、古老的转座调控手段[31]。Argonaut蛋
白本身与转座酶相关, 说明转座子与其调控机制一
同进化[32]。
转座子富集和 RDRP/乒乓循环扩增构成的基于
小 RNAs 的免疫系统, 依据转座子转座移动的特性
区分转座子(非自身)与宿主(自身)DNA, 能够有效
保护宿主基因组。生殖细胞特异性小 RNAs 在生殖
系转座子沉默中扮演重要角色, 对于维持物种遗传
稳定性具有重要意义, 小 RNA 作用途径发生突变将
损害个体生育力, 导致减数分裂阻滞和不育。

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目前的研究揭示了小 RNAs、转座子沉默、生
殖生育调节之间的联系, 然而, 小RNAs(如piRNAs)
的具体来源和生成加工机制、小 RNAs 沉默转座子
的具体分子机制、转座子在生育调节中的具体作用
机制(如是否直接作用于减数分裂, 等)尚未得到阐
明。 另外, 哺乳动物 piRNAs 的序列特点和在基因组
DNA 上的分布特征与其它物种明显不同, 是否存在
不同的作用途径和功能？哺乳动物卵母细胞内的
endo-siRNA 通 路 , 是 否 为 对 应 于 睾 丸 特 异 性
piRNAs 通路的生殖细胞发育调节机制？为了回答
上述问题, 研究者们需要付出更多努力去揭示生殖
系小RNAs转座子沉默的分子机制及其生物学意义。
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