專家點(diǎn)評(píng)EMBO?J |?蠑螈揭示哺乳動(dòng)物piRNA通路的起源

點(diǎn)評(píng) | 劉默芳 （ 中科院分子細(xì)胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心 ）

在動(dòng)物生殖細(xì)胞（如精子和卵子）形成過程中，活躍的 轉(zhuǎn)座子 （ transposons ）始終是一大 “ 隱患 ” 。轉(zhuǎn)座子作為基因組中數(shù)量龐大的一類可移動(dòng) DNA 元件，能夠通過“跳躍”插入新的基因組位置，從而破壞基因、造成 DNA 雙鏈斷裂，進(jìn)而干擾生殖細(xì)胞發(fā)育并導(dǎo)致物種不育。為了有效抵御此風(fēng)險(xiǎn)，很多動(dòng)物的生殖細(xì)胞演化出一套高度特異的防御機(jī)制—— piRNA 通路【1,2】。 piRNA 通路通過靶向并沉默活躍的轉(zhuǎn)座子，是維持生殖細(xì)胞基因組完整性的核心防御體系。

piRNA （ PIWI-interacting RNA ）是一類小分子非編碼 RNA ，通過與 PIWI 蛋白結(jié)合形成復(fù)合物，在動(dòng)物生殖細(xì)胞中沉默轉(zhuǎn)座子。 piRNA 通路分為細(xì)胞質(zhì)通路和細(xì)胞核通路兩類。其中，細(xì)胞質(zhì) piRNA 通路在絕大多數(shù)動(dòng)物中廣泛存在【3】，用于切割并清除轉(zhuǎn)座子轉(zhuǎn)錄本。而 長(zhǎng)期以來， 細(xì)胞核 piRNA 通路，即 piRNA介導(dǎo) 的 轉(zhuǎn)座子DNA甲基化沉默 ，一直被認(rèn)為 是 哺乳動(dòng)物特有 的機(jī)制【1,2】。

近日，愛丁堡大學(xué) Donal O’Carroll 院士團(tuán)隊(duì)在 EMBO Journal 上發(fā)表了題為

A mammalian-like piRNA pathway in Axolotl reveals the origins of piRNA-directed DNA methylation

墨西哥鈍口螈因其出色的組織修復(fù)能力，成為經(jīng)典的再生生物學(xué)模式動(dòng)物。除再生特性外，其基因組也非常特殊，是現(xiàn)存動(dòng)物中 最大的基因組之一 （～3 2 Gb，約人類的 10 倍）【4】。這一龐大的基因組很大程度上由轉(zhuǎn)座子的擴(kuò)張引起，鈍口螈基因組約70%由轉(zhuǎn)座子構(gòu)成，而人類約50%。如此高的轉(zhuǎn)座子負(fù)擔(dān)與大基因組規(guī)模，使墨西哥鈍口螈成為研究轉(zhuǎn)座子活動(dòng)與沉默機(jī)制的理想模型。

（ 1 ） 墨西哥鈍口螈具有類似哺乳動(dòng)物的piRNA通路

首先，為追溯哺乳動(dòng)物piRNA通路的演化起源，作者構(gòu)建了piRNA通路相關(guān)基因在脊椎動(dòng)物中的系統(tǒng)發(fā)育樹。結(jié)果顯示，哺乳動(dòng)物中關(guān)鍵的細(xì)胞核 piRNA 因子，包括 PIWIL4 、 SPOCD1 、 C19ORF84 、 TEX15 等，在兩棲動(dòng)物墨西哥鈍口螈的基因組中 首次完整出現(xiàn) ，而在肉鰭魚與輻鰭魚中均存在一些關(guān)鍵因子的缺失，提示這些細(xì)胞核因子可能并未在更早期的脊椎動(dòng)物類群中出現(xiàn)。此外，轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)顯示，這些piRNA通路相關(guān)基因在墨西哥鈍口螈中呈 生殖系統(tǒng)特異性表達(dá) ，高度類似哺乳動(dòng)物表達(dá)模式，進(jìn)一步暗示其潛在功能。

值得注意的是，在四足動(dòng)物（ tetrapods ）中， 哺乳類、爬行類和蠑螈 完整保留了細(xì)胞核piRNA通路，而 鳥類和蛙類 普遍缺失該通路。作者推測(cè)這一差異可能與其原始生殖細(xì)胞（ primordial germ cells ，PGCs）的形成方式以及是否經(jīng)歷表觀遺傳重編程相關(guān)。哺乳類、爬行類和蠑螈使用 后成機(jī)制 （ep igenesis ），其原始生殖細(xì)胞由體細(xì)胞受外源信號(hào)誘導(dǎo)而來，可能伴隨表觀遺傳重編程，使原本被沉默的轉(zhuǎn)座子有機(jī)會(huì)重新活化，為基因組帶來風(fēng)險(xiǎn)。因此，這些物種更有必要保留功能性細(xì)胞核 piRNA 通路，以維持對(duì)轉(zhuǎn)座子的表觀遺傳沉默，保障生殖系基因組的穩(wěn)定性。而鳥類和蛙類采用 預(yù)成機(jī)制 （p reformation ），通過母體卵細(xì)胞中預(yù)先存儲(chǔ)的分子（即種質(zhì)， germ plasm ）直接指定形成生殖細(xì)胞譜系，在代際間保持更高的穩(wěn)定性與連續(xù)性，細(xì)胞核 piRNA 通路從而不是必需，可能在演化中丟失。

（ 2 ） 墨西哥鈍口螈存在功能性的細(xì)胞質(zhì) piRNA 通路

為更好 地理解 鈍口螈中的轉(zhuǎn)座子活動(dòng)與沉默機(jī)制，作者首次預(yù)測(cè)注釋了墨西哥鈍口螈中的活躍轉(zhuǎn)座子，鑒定出一批以年輕 LTR 與 DNA 轉(zhuǎn)座子為主的有 潛在轉(zhuǎn)座活性 的轉(zhuǎn)座子。隨后，團(tuán)隊(duì)通過小 RNA 測(cè)序，分析顯示鈍口螈雄性與雌性生殖系統(tǒng)均存在 豐富的 piRNA （超過 8800 萬種），且大量源于轉(zhuǎn)座子序列。

細(xì)胞質(zhì) piRNA 通路主要包括 p iRNA 的生成及經(jīng)典的乒乓循環(huán)（ ping-pong cycle ）介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄后沉默，靶向切割并降解轉(zhuǎn)座子的轉(zhuǎn)錄本。piRNA主要從基因組中的 piRNA 簇（ piRNA clusters ）產(chǎn)生，且在鈍口螈中呈現(xiàn)明顯的 性別特異性 piRNA 簇 分布，提示其具有性別特異性的piRNA生成位點(diǎn) 。更關(guān)鍵的是，靶向轉(zhuǎn)座子的piRNA具備典型的 乒乓循環(huán)特征 ，即（i）兩條配對(duì)的piRNA間1 0 個(gè)核苷酸的互補(bǔ)重疊，（ ii ） 1U/10A 偏好性 。綜上，piRNA簇與乒乓循環(huán)共同證明墨西哥鈍口螈生殖系統(tǒng)中存在功能性的細(xì)胞質(zhì)piRNA通路。

（ 3 ） 墨西哥鈍口螈中細(xì)胞核 piRNA 通路存在的證據(jù)

對(duì)于細(xì)胞核 piRNA通路，piRNA介導(dǎo)的DNA甲基化沉默 機(jī)制過去除哺乳動(dòng)物外幾乎未有報(bào)道。其主要由piRNA-PIWIL 4 復(fù)合物及相關(guān)細(xì)胞核因子發(fā)揮功能，通過招募DNA從頭甲基化酶（如小鼠中為DNMT 3 C/L）， 特異性從頭甲基化沉默年輕、活躍轉(zhuǎn)座子的啟動(dòng)子，是維持轉(zhuǎn)座子 長(zhǎng)期穩(wěn)定 抑制的關(guān)鍵機(jī)制 （ 詳見BioArt報(bào)道： ） 。在生 殖細(xì)胞表觀遺傳重編程過程中，基因組經(jīng)歷大規(guī)模去甲基化，原本沉默的年輕轉(zhuǎn)座子具有重新活化的風(fēng)險(xiǎn)，因此細(xì)胞核 piRNA 通路在此階段尤為重要。其最終結(jié)果體現(xiàn)為精子中年輕轉(zhuǎn)座子的高度DNA甲基化。

通過對(duì)墨西哥鈍口螈精子樣本的全基因組甲基化測(cè)序，作者發(fā)現(xiàn)其整體 CpG 甲基化水平約為 90% ，顯著高于哺乳動(dòng)物（約 75%–85% ）。更重要的是，鈍口螈精子中 整個(gè)轉(zhuǎn)座子區(qū)域 ，包括其啟動(dòng)子，整體呈 高度甲基化狀態(tài) 。尤其對(duì)于有潛在轉(zhuǎn)座活性的年輕轉(zhuǎn)座子，其甲基化水平 顯著更高 。由此，這些結(jié)果首次支持，除哺乳動(dòng)物外，在墨西哥鈍口螈中同樣存在轉(zhuǎn)座子的DNA甲基化沉默。

此外，作者還對(duì)墨西哥鈍口螈基因組中的CpG島（ CpG islands ）進(jìn)行了系統(tǒng)鑒定。與哺乳動(dòng)物中主要位于基因啟動(dòng)子并通常保持非甲基化狀態(tài)的 CpG 島不同，鈍口螈的CpG島普遍呈高度甲基化，且與轉(zhuǎn)座子區(qū)域顯著重疊，提示鈍口螈中另一潛在的轉(zhuǎn)座子沉默機(jī)制。

總體而言，本研究在墨西哥鈍口螈中鑒定出完整且高度相似于哺乳動(dòng)物的piRNA通路。小RNA測(cè)序和全基因組甲基化測(cè)序的結(jié)果共同表明，墨西哥鈍口螈不僅具備功能性的細(xì)胞質(zhì)piRNA通路用于清除轉(zhuǎn)座子轉(zhuǎn)錄本，還擁有細(xì)胞核piRNA通路，通過DNA甲基化實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)座子的長(zhǎng)期穩(wěn)定沉默。研究首次明確指出，哺乳動(dòng)物的 piRNA 通路，即 piRNA 介導(dǎo)的轉(zhuǎn)座子 DNA 甲基化沉默機(jī)制，其起源可追溯至蠑螈與哺乳動(dòng)物的共同祖先，即 四足動(dòng)物 時(shí)期。該發(fā)現(xiàn)不僅填補(bǔ)了 piRNA 通路演化史上的關(guān)鍵空白，也為理解生殖細(xì)胞發(fā)育、表觀遺傳重編程以及基因組防御機(jī)制提供了全新的演化視角。

浙江大學(xué)-愛丁堡大學(xué)聯(lián)合學(xué)院雙學(xué)位聯(lián)合培養(yǎng)博士生 相欣雨 為本文第一作者，浙江大學(xué)-愛丁堡大學(xué)聯(lián)合學(xué)院雙學(xué)位聯(lián)合培養(yǎng)本科生 高安妮 為本文第二作者。愛丁堡大學(xué) Donal O’Carroll 院士為通訊作者。浙江大學(xué) 劉琬璐 教授及奧地利維也納生物中心 Elly M Tanaka 院士團(tuán)隊(duì)為重要合作單位，對(duì)本研究作出了突出貢獻(xiàn)。

專家點(diǎn)評(píng)

劉默芳 （ 中科院分子細(xì)胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心 / 生化細(xì)胞所研究員 ）

在動(dòng)物生殖細(xì)胞發(fā)育過程中，轉(zhuǎn)座子的異常激活對(duì)基因組穩(wěn)定性和完整性構(gòu)成嚴(yán)峻威脅，將導(dǎo)致生殖障礙與不育。因此，在漫長(zhǎng)的演化中生殖細(xì)胞獲得了一系列高度特化的防御機(jī)制，其中最核心的便是 piRNA 通路。一方面，細(xì)胞核 piRNA 通路通過 piRNA 介導(dǎo)的從頭D NA 甲基化，對(duì)年輕、活躍的轉(zhuǎn)座子進(jìn)行長(zhǎng)期穩(wěn)定的表觀遺傳沉默，是維持生殖細(xì)胞基因組穩(wěn)定性的重要屏障；另一方面，細(xì)胞質(zhì)piRNA通路切割降解轉(zhuǎn)座子轉(zhuǎn)錄本，在轉(zhuǎn)錄后水平抑制轉(zhuǎn)座子。過去的研究中，細(xì)胞核 piRNA 通路幾乎僅在哺乳動(dòng)物中得到明確驗(yàn)證，被視為哺乳類特有的重要轉(zhuǎn)座子沉默機(jī)制。然而，細(xì)胞核 piRNA 通路的真正演化起點(diǎn)一直是領(lǐng)域中的重大開放問題。

O’Carroll 團(tuán)隊(duì)以墨西哥鈍口螈為模型，首次將哺乳動(dòng)物細(xì)胞核 piRNA 通路的起源追溯至四足動(dòng)物共同祖先，揭示了 piRNA 通路演化過程的一個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。該研究通過系統(tǒng)發(fā)育分析、活躍轉(zhuǎn)座子注釋、小 RNA 以及全基因組甲基化測(cè)序分析，清晰證明鈍口螈不僅具備典型的細(xì)胞質(zhì) piRNA 通路，還擁有與哺乳動(dòng)物高度相似的細(xì)胞核 piRNA 通路。這一發(fā)現(xiàn)補(bǔ)全了 piRNA 通路長(zhǎng)期懸而未解的“演化空白”，具有重要意義。

更具概念性突破的是，該研究首次提出生殖細(xì)胞形成方式（預(yù)成或后成）與細(xì)胞核 piRNA 通路的缺失或保留之間存在關(guān)聯(lián)。這不僅解釋了不同脊椎動(dòng)物類群在轉(zhuǎn)座子沉默策略上的差異，也為理解生殖細(xì)胞發(fā)育調(diào)控的深層演化邏輯提供了新的理論框架。

作為水生向陸生過渡時(shí)期的重要兩棲類代表物種，墨西哥鈍口螈處于適應(yīng)陸生環(huán)境壓力的關(guān)鍵演化節(jié)點(diǎn)。該研究不僅揭示了其在巨大基因組下維持生殖細(xì)胞基因組穩(wěn)定性的核心分子機(jī)制，還為理解陸生化過程中生殖細(xì)胞如何抑制轉(zhuǎn)座子再活化、塑造基因組規(guī)模提供了關(guān)鍵線索。同時(shí)，該研究建立的演化機(jī)制框架具有重要的前瞻性價(jià)值，不僅為解析大型基因組物種的轉(zhuǎn)座子調(diào)控機(jī)制提供了范式，也為未來從“基因組防御-生殖穩(wěn)定性-環(huán)境適應(yīng)”三者之間的協(xié)同演化關(guān)系研究奠定了理論基礎(chǔ)。

https://www.embopress.org/doi/full/10.1038/s44318-025-00631-w

制版人： 十一

參考文獻(xiàn)

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4. Nowoshilow S, Schloissnig S, Fei J-F, Dahl A, Pang AWC, Pippel M, Winkler S, Hastie AR, Young G, Roscito JG, et al., The axolotl genome and the evolution of key tissue formation regulators,Nature, 2018 554 50-55

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