“转录”加州理工中国博士构建外源piRNA簇，揭示piRNA生成的重要机制

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来源：DeepTech深科技

‍“我相信这项研究将对该领域产生变革，这是第一次发现并阐明了 piRNA 从无到有产生的新机制。”对于吉林大学校友、美国加州理工学院骆一铖博士的新论文，评审专家认为有着重要意义。

日前，骆一铖和所在团队通过利用以绿色荧光蛋白（GFP，Green fluorescent protein）为基础，构建了一个外源 piRNA 簇，可以完全地排除内源 piRNA 簇的影响。

研究发现，此外源 piRNA 簇会从最初的、一段不产生 piRNA 的基因组片段，逐渐转变为可以产生 piRNA 的 piRNA 簇。

据介绍，piRNA 是一类重要的小非编码 RNA，其主要功能在于通过抑制转座子活动，从而保护基因组整体的稳定性和完整性。

piRNA 的作用至关重要，因为一旦失去了 piRNA 的调控作用，转座子的活动便会失去控制，进而对基因组造成严重地、不可逆地损害，最终会导致生物体无法产生后代，从而影响物种的延续。

piRNA 主要来源于基因组内富含转座子的区域，这些区域被称为 piRNA 簇。这些 piRNA 簇一般位于染色体中心附近或染色体末端的异染色质区域。

根据其转录特点，piRNA 簇分为单链 piRNA 簇和双链 piRNA 簇。单链 piRNA 簇的转录过程类似于长非编码 RNA，具有完整的转录原件，与正常基因的转录过程相似，都具有转录起始、延长和终止过程等过程。

而双链 piRNA 簇的转录则是在特定蛋白质的调控下完成的，其中涉及到剪切抑制和抗转录终止等复杂机制。

最新研究表明，现有的 piRNA 簇可以通过自身产生的 piRNA 去识别基因组上其他位点的转录产物，并将 piRNA 簇的标记蛋白招募至这些区域，从而使非 piRNA 簇区域转变为 piRNA 簇。

这一发现为理解 piRNA 的多样性以及扩充性提供了解释，但对于 piRNA 是如何从无到有的过程尚未给出解答。基于此，骆一铖开展了本次研究。

研究中，他先是发现了一个特殊的含有 GFP 报告基因的果蝇品系，该品系在初期时 GFP 表达正常，而在大约一年之后，在果蝇的生殖细胞中，GFP 的表达被沉默了。

接着，他们开始探究 GFP 在生殖细胞中被沉默的原因，发现有大量的 piRNA 从 GFP 报告基因上产生。

随后，他们继续探究 GFP 报告基因和正常的 GFP 报告基因到底有何不同，最终发现是由若干 GFP 报告基因无规则组成的重复序列，并且会形成双链 RNA 结构，从而产生 siRNA。

然后，他们开始探究 siRNA 在 piRNA 簇形成过程中的作用，发现 siRNA 结合 Ago2 蛋白后，可以识别并结合相应的互补 RNA，在剪切 RNA 的过程中会产生少量 piRNA。

这些 piRNA 可以通过在后代中不断积累最终将外援的重复序列转变为高效地产生 piRNA 的基因组片段，即 piRNA 簇。

骆一铖表示：“本研究的初衷是研究 piRNA 簇是如何捕获和控制新的外源性 DNA（这也是我的另一个课题）。结果得到了这个特殊的转基因果蝇，再最初检查 GFP 表达的时候没有表象不正常，可以看到 GFP 的表达。”

大约过了一年多，他又想起了这个果蝇，就检查了一下，结果就发现了 GFP 沉默。由于在第一次检查时，他注意到 GFP 有些表达的过于强烈，强于他所掌握的正常 GFP 报告基因的强度。

“所以在一年之后才会又想起来这个果蝇。这其中有幸运的成分，但是多做实验，积累经验和注意细节，就可能会发现一些很有意思的结果。”骆一铖表示。

目前，他和所在团队已经证明了 siRNA 可以诱导产生 piRNA，但是结合 Ago2 的 siRNA 识别相应互补 RNA 后，是如何产生 piRNA 的具体机制还没有被描述，这当中是否还涉及到其他蛋白质或者新的作用机制，这些问题还需要进一步回答。

其次，关于 piRNA 簇形成的必要条件没有得到证明，比如为什么 piRNA 簇的形成需要一段较长的重复的序列？是否涉及到一些基因组或者染色体的三维结构？

因此，接下来他和同事会围绕 piRNA 簇的基因组结构展开研究，探究 piRNA 簇形成需要的基因组结构，以及到底哪些蛋白质参与其中。

另据悉，在吉林大学读本科期间，骆一铖没有系统地学习过分子生物学及其相关知识，大部分时间是学习医学和药学。

他说：“2011 年，在本科最后一年有幸去美国冷泉港实验室作为实验室助理完成毕业实习，开始从事 piRNA 方向的研究，这也是我第一次接触 piRNA，很多知识和实验都需要从零学起。”

之后，他来到加州理工学院攻读博士学位，师从于 Alexei  Aravin 教授（piRNA 的发现者之一）。博士期间，他主要研究 piRNA 簇转录调控，发现并完善了 piRNA 簇转录调控机制，之后又致力于理解 piRNA 簇的形成机制。

自 2011 年直到现在，他一直从事 piRNA 的研究，在 piRNA 生成和作用机制等各个环节都有参与和作出贡献，同时他还参与了其他方面的课题，例如优化改进 AAV 病毒等工作。

目前累计发表论文 13 篇，分别发表在 Molecular Cell、Genes & development、Nature methods、PLoS genetics、Elife、RNA、Science 等期刊上。

参考资料：

1.Luo, Y., He, P., Kanrar, N., Toth, K. F., & Aravin, A. A. (2023). Maternally inherited siRNAs initiate piRNA cluster formation.Molecular Cell, 83(21), 3835-3851.

运营/排版：何晨龙

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