Nat Commun | 声东击西！刘默芳/丁德强/王鑫解密精子形成的分子奥秘

生殖颗粒（Germ granules）是主要存在于动物生殖细胞细胞质中的无膜细胞器，是各种RNA中心过程的组成部分。虽然在动物生殖细胞中发现了大量具有不同成分和功能的生殖颗粒，Intermitochondrial Cement（IMC）和拟染色体（CB）是哺乳动物雄性生殖细胞中最广泛的特征。IMC可见为位于线粒体簇中的电子致密颗粒，首先出现在胎儿前精原细胞（prospermatogonia)，在中粗线期精母细胞（mid-pachytene spermatocytes）中变得明显，然后随着线粒体弥散在晚粗线期精母细胞（late-pachytene spermatocytes）中逐渐解体，并在减数分裂后精子细胞阶段完全消失。相比之下，CB前体细胞在晚粗线期精母细胞中以小颗粒的形式出现，位于靠近核包膜。

在减数分裂后的圆形精子细胞中，这些前体合并成CB，这是一种单生的、细丝状的、分叶状的核周颗粒。值得注意的是，IMC和CB被假设分别作为哺乳动物雄性生殖细胞中 piRNA 加工和功能的平台。IMC 中 piRNA 加工蛋白的富集证实了这一观点，以及CB 中存在感受态 PIWI/piRNA 复合物。尽管人们普遍认为IMC为CB提供前体材料，在 IMC 中产生的成熟 piRNA如何转变为CB中piRNA机制中的功能实体的机制基础仍然难以捉摸。

piRNA被认为与属于Argonaute家族PIWI分支的蛋白质合作，从而促进了它们的生物学作用，这对动物的生殖系发育至关重要。PIWI/piRNA复合物的主要作用是沉默转座元件，从而保护种系基因组的完整性。然而，后来的研究已经证明了它们在蛋白质编码基因调控中的作用，扩大了对动物生殖细胞中PIWI/piRNA功能的理解。在小鼠中，PIWI家族蛋白MIWI、MILI 和 MIWI2 在雄性生殖细胞中特异性表达，在精子发生过程中表现出时间和空间表达模式。

特别是，MIWI表达在粗线期精母细胞中起始，并通过减数分裂后的精子细胞持续存在。先前的研究表明，MIWI最初通过与线粒体锚定的Tudor结构域蛋白TDRKH相互作用被募集到IMC，用于中粗线期精母细胞中的piRNA 加工。此后，MIWI在圆形精子细胞的CB中富集，在那里，MIWI与piRNA复合，发挥调节转座子和蛋白编码mRNA转录的功能。尽管如此，在男性生殖细胞发育过程中，MIWI从产生piRNA的内乳细胞顺序易位到具有piRNA功能的CB的机制仍然是piRNA生物学的一个谜。

该研究阐明了piRNA负载在介导 MIWI 从 IMC到CB 的易位中的关键作用。研究结果表明，piRNA负载促进了MIWI与TDRKH的脱离，促进了其从IMC的释放。值得注意的是，这种分离使 MIWI 蛋白为精氨酸甲基化奠定了基础，随后通过其甲基化的精氨酸残基促进了其与TDRD6的结合，从而最终将其整合到CB中。

模式图（Credit: Nature Communications）

通过产生piRNA加载缺陷的 Miwi突变小鼠，该研究证明了MIWI中piRNA 加载能力的丧失阻碍了其在精子发生过程中从 IMC 到 CB 的易位。这种阻塞严重破坏了发育中的雄性生殖细胞中的MIWI稳定性，并导致小鼠的精子发生缺陷和雄性不育。总的来说，该研究揭示了MIWI在发育中的雄性生殖细胞中连续易位的分子动力学，并在小鼠雄性生殖细胞分化过程中的piRNA加工和功能之间建立了机制桥梁。