研究证明12种动物卵细胞中非编码小RNA的表达和潜在功能

3月26日，国际学术期刊Genome Biology在线发表了中国科学院分子细胞科学**创新中心（生物化学与细胞生物学研究所）吴立刚研究组的最新研究成果“Divergent composition and transposon-silencing activity of small RNAs in mammalian oocytes”。该研究证明了哺乳动物卵细胞中非编码小RNA组成和功能的多样性，为今后研究非编码小RNA参与哺乳动物卵细胞发育的功能和机制提供了重要基础。

非编码小RNA广泛参与基因的表达调控，在生殖细胞中，主要存在3类非编码小RNA：microRNA （miRNA）、endogenous small interfering RNA （endo-siRNA）和PIWI-interacting RNA （piRNA）。其中miRNA和endo-siRNA的长度主要集中在22 nt，与Argonaute （AGO）蛋白结合形成RNA介导的转录沉默复合体（RISC），piRNA则与PIWI蛋白结合形成复合体。已有研究表明miRNA、endo-siRNA和piRNA在不同物种的卵细胞发育中行使的功能存在显著差别。例如，在果蝇卵细胞发育中，miRNA和piRNA的存在均是必须的；在斑马鱼卵细胞发育中，只有piRNA是必不可少的；而在小鼠卵细胞发育中，仅有endo-siRNA的存在是必须的。以上发现说明，在动物卵细胞发育中，非编码小RNA的组成和功能可能存在极大的多样性。

目前绝大多数关于哺乳动物生殖细胞非编码小RNA组成和功能的研究在小鼠中进行，小鼠中得到的一些结论也通常会推及至其他物种。但吴立刚研究组的早期研究表明，在人类卵细胞中表达一种新型、结合PIWIL3且末端无修饰的短piRNA，与经典结合PIWIL1的长piRNA不同（2019,Nature communications）。随后，吴立刚研究组与南京医科大学李建民课题组合作揭示了在金黄仓鼠这一物种中，piRNA通路不仅调控精子的发育，对卵细胞的正常发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，不同哺乳动物卵细胞内非编码小RNA的组成和功能同样也具有多样性。

为了全面分析和系统比较不同哺乳动物卵细胞中非编码小RNA的组成、特征和潜在功能，研究人员对12个物种包括人、食蟹猴、小鼠、大鼠、金黄仓鼠、中国仓鼠、兔子、豚鼠、比格犬、猪、羊和斑马鱼的卵细胞进行mRNA和非编码小RNA深度测序和分析。研究人员根据非编码小RNA在基因组的分布和序列特征，在12个物种中均鉴定到了piRNA，除了小鼠，其余11个物种中的piRNA丰度远高于其他类型的小RNA。该结果表明哺乳动物卵细胞中的piRNA丰度普遍较高，长度分布具有物种特异性。并且，研究人员发现Endo-siRNA仅在小鼠卵细胞中表达，而在其他10种哺乳动物的卵细胞中，都没有检测到endo-siRNA，因此可以推测大部分哺乳动物（包括与小鼠亲缘关系很近的大鼠）的卵细胞可能并不表达endo-siRNA，小鼠只是一个特例，并不适合作为模型来研究非编码小RNA在雌性生殖调控中的功能。因此，研究人员认为，未来关于雌性生殖的研究中，在选择动物模型时，非编码小RNA组成的相似性应该被列为重要的考虑因素之一。

研究人员进一步对哺乳动物的卵细胞进行了PIWI蛋白免疫沉淀实验和微量小RNA高碘酸钠氧化实验，发现PIWIL3结合的os-piRNA在哺乳动物卵细胞中广泛存在，其3’末端不带有2’甲氧基修饰。通过分析物种间piRNA序列和piRNA cluster的保守性，发现物种间piRNA cluster的序列保守性远低于其两侧编码基因和基因间区序列，并且piRNA的序列一致性在不同物种中也非常低。研究人员进一步分析了在piRNA cluster中分布的转座子组成，发现其在物种间的差异很大。通过对转座子的序列变异度进行分析，结果表明低变异度的转座子通常对应更高丰度的piRNA，而低变异度的转座子通常是潜在的活跃的转座子。因此，研究人员推测为了抵御活跃转座子的威胁，piRNA的序列和丰度在不同物种间发生了快速进化。

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