首次發現piRNA參與家養雞體內病毒免疫過程丨BioArt特別推薦

BioArt按：piRNA是近年來在動物生殖細胞中發現的一類非編碼小分子RNA，它可以與PIWI蛋白相互結合形成PIWI/piRNA「機器」，在動物生殖細胞發育分化過程中發揮重要作用。儘管目前有很多研究集中在果蠅、小鼠中的piRNA研究，但在雞中的piRNA研究基本處於空白。近期，一項由美國羅徹斯特大學李鑫博士團隊領導的研究小組就對雞的精巢中的piRNA進行了系統的研究，這一研究以「Domestic chickens activate a piRNA defense against avian leukosis virus」為題發表在eLIFE雜誌上。這一發現首次闡明了piRNA參與病毒免疫過程，也說明了那些在高密度飼養、易於被病毒感染的環境中生活的家養雞可能通過這一機製得以生存下來。特別值得一提的是，早在1981年，Robinson等人就猜測ALVE6可能與病毒免疫有關，而如今這項研究從分子層面闡述了piRNA直接參与了這一免疫過程。

piRNA (PIWI-Interacting RNA) 是一類與PIWI蛋白相互作用的RNA。 它們主要存在於動物生殖細胞中，是一種長度在24-35 nt左右的非編碼小分子RNA。piRNA能夠指導PIWI 蛋白調控基因表達，其作用目標之一便是轉座子（transposon）RNA，piRNA與其靶標轉座子RNA鹼基互補配對，隨後靶標RNA可以被PIWI蛋白切割而無法合成蛋白，從而以維持基因組的穩定性。除此之外，PIWI蛋白還可以通過表觀遺傳調控基因表達。

儘管目前有很多研究集中在果蠅、小鼠中的piRNA研究，但在雞中的piRNA研究基本處於空白。近期，一項由美國羅徹斯特大學李鑫博士團隊領導的研究小組就對雞的精巢中的piRNA進行了系統的研究。

這一研究中，李鑫博士團隊通過多核糖體圖譜分析（polysome profiling）發現雞精巢中很多轉座子RNA正在被翻譯，從而證明他們是十分活躍的。通過RNA 和小RNA高通量測序，研究進一步闡明了表達量高的piRNA所調控的轉座子RNA水平也較高，並且有顯著的piRNA 乒乓循環（ping-pong cycle）【1,2】。在piRNA 乒乓循環中，最初的piRNA指導PIWI切割轉座子RNA，而切割產物能夠變成新的piRNA，並與最初的piRNA有10個核苷酸的互補重疊。檢測乒乓循環直接證明了piRNA 在發揮功能。研究證實了piRNA調控精巢中高度活躍的轉座子，從而將其對基因組的危害控制在一定範圍內。通過分析基因組測序數據，科研人員還進一步發現了一些轉座子插入到基因（例如SOX5）內含子的例子。這可能意味著在被廣泛關注的單核苷酸的多態性（SNP）之外，轉座子的插入也能夠造成雞的基因變異。

同時，該研究還比較了家養雞White Leghorn和他們的野生祖先Red Jungle Fowl。White Leghorn是著名的產蛋雞，它們由其野生祖先經過幾千年馴化而來。在比較兩種雞精巢中的piRNA時，研究者發現馴養雞能夠產生與雞白血病毒（Avian leukosis virus，ALV）RNA反向互補的piRNA，但其野生祖先則不能。

雞白血病毒ALV有多種變異，其中E型病毒整合到基因組中成為了內源性逆轉錄病毒（Endogenous retrovirus, ERV）。J型病毒仍具有感染活性，特別是在其肆虐尤為嚴重。為了研究這些piRNA的來源，研究人員利用高通量測序得到的小RNA數據，結合基因組序列，定義了家養雞中的1633個piRNA簇以及其祖先的1637個piRNA簇。這兩個品系大部分的piRNA簇（1168個）是相同的，但剩餘約有30％的piRNA簇是兩個品系所特有的。

進一步的研究確認了家養雞產生這些piRNA的位點是一段名為ALVE6的piRNA簇，而這一段序列存在於其祖先的基因組中卻並不能產生piRNA。儘管我們已經知道這些與病毒同源的序列來源於插入基因組的病毒片段，但這一發現首次證明它們可以被激活成為piRNA簇從而抵禦病毒的入侵。

總的來說，這一發現首次闡明了piRNA參與病毒免疫過程，也說明了那些在高密度飼養、易於被病毒感染的環境中生活的家養雞可能通過這一機製得以生存下來。特別值得一提的是，早在1981年，Robinson等人就猜測ALVE6可能與病毒免疫有關【3】，而如今這項研究從分子層面闡述了piRNA直接參与了這一免疫過程。

參考文獻：

1、Brennecke, J., Aravin, A. A., Stark, A., Dus, M., Kellis, M., Sachidanandam, R., & Hannon, G. J. (2007). Discrete small RNA-generating loci as master regulators of transposon activity in Drosophila. Cell, 128(6), 1089-1103.

2、Gunawardane, L. S., Saito, K., Nishida, K. M., Miyoshi, K., Kawamura, Y., Nagami, T., ... & Siomi, M. C. (2007). A slicer-mediated mechanism for repeat-associated siRNA 5'end formation in Drosophila. Science, 315(5818), 1587-1590.

3、Robinson, H. L., Astrin, S. M., Senior, A. M., & Salazar, F. H. (1981). Host Susceptibility to endogenous viruses: defective, glycoprotein-expressing proviruses interfere with infections. Journal of virology, 40(3), 745-751.

李鑫博士，美國羅徹斯特大學醫學院RNA生物學研究中心助理教授。李鑫博士2004年畢業於清華大學，2009年在美國康奈爾大學獲得生化與分子生物學博士學位，隨後在美國麻省大學Phillip Zamore實驗室進行博士后研究，於2014年加入羅徹斯特大學醫學院生物化學與生物物理系。其研究主要集中在生殖細胞和piRNA領域，多篇文章發表在Molecular Cell, eLIFE, Plos Genetics等知名期刊。

BioArt，一心關注生命科學，只為分享更多有種、有趣、有料的信息。關注投稿、合作、轉載授權事宜請聯繫微信ID：fullbellies或郵箱：[email protected]。