研究揭示人类PIWI蛋白的结构和机制特征

目前，对许多动物的基因组进行了测序，结果显示，在哺乳动物的基因组中，转座子占据很高的比例，然而生成piRNA的piRNA簇在基因组中的比例却很低。例如，在人类基因组中，逆转座子占比高达45%，而piRNA簇仅占约0.37%。相反，在许多无脊椎动物中，转座子占比较低，但是piRNA簇的比例却很高。例如，在黑腹果蝇中，转座子占其基因组的14%，piRNA簇占3.2%。每个动物的基因组都与寄生的转座子展开着持续的战斗。转座子只有跳入到生殖细胞的DNA中才能世代延续，而动物的生育能力则要求对破坏性的转座子进行沉默。这场战斗的持续推动了piRNA系统与转座子以物种特异性的方式快速进化。转座子和piRNA簇在基因组中的不同组成暗示了哺乳动物中PIWI-piRNA可能具有不同于无脊椎动物的靶向特性，以履行守卫哺乳动物生殖细胞基因组的职责。

西湖大学的申恩志、吴建平和宋春青团队合作，在《Nature Structural & Molecular Biology》杂志在线发表了题为“Mammalian PIWI-piRNA-target complexes reveal features for broad and efficient target silencing”的研究论文，揭示了哺乳动物中PIWI-piRNA机制的独特性，以及它们对不断积累变化的转座子的功能性适应。研究表明，哺乳动物通过增强piRNA系统的靶标结合、靶向谱和靶标切割能力来应对转座子的挑战，实现了高效的靶标沉默。

在该研究中，研究人员成功分离了小鼠和人的PIWI蛋白MILI和HILI，解析了它们与靶标RNA的结合和非结合状态的结构，并进行了生化分析。与无脊椎动物不同，哺乳动物的piRISC具有更宽的核酸结合通道和更长的piRNA种子区域，确保了高效的靶标捕捉。当piRISC与靶标RNA结合后，种子门控的双链配对监测处于一种更松散的状态，使得哺乳动物的piRNA具有更广泛的靶向谱。哺乳动物中piRNA与靶标RNA的配对使得piRISC更容易接近PAZ结构域，可能与其切割激活态相关。最后，研究人员鉴定了哺乳动物特有的氨基酸位点，解释了无脊椎动物和哺乳动物中piRNA介导的靶标RNA结合能力的差异。该研究揭示了哺乳动物piRISC的结构和生化特征，以及与无脊椎动物piRISC的关键特征的区别。值得注意的是，该研究首次揭示了人类PIWI蛋白的结构和机制特征，有助于解析人类PIWI介导的基因组防御和基因调控机制，以及其在人类生育和疾病中的作用。

西湖大学的特聘研究员申恩志、吴建平和宋春青是本研究论文的共同通讯作者。西湖大学-复旦大学联合培养的博士研究生李之清和李珍珍为共同第一作者。该研究得到了浙江大学的桂淼研究员、中国科学院分子植物科学卓越创新中心的黄勇平研究员、上海交通大学的涂仕奎研究员以及美国杜克大学的张钊研究员的大力支持。项目实施还受到了西湖大学冷冻电镜平台、西湖大学质谱及代谢平台、浙江省核酸适体与临床诊治重点实验室的支持与帮助。