非编码piRNA生成和加工的调控机制

PIWI-interacting RNA (piRNA) is a type of small noncoding RNAs (~30 nt) widely expressed in animal gonads. piRNAs mainly guide PIWI proteins, a subfamily of Argonaute protein family which is the central component of the RNA-induced silencing complex, to silence transposable elements during germline development, therefore play an important role in maintaining genome stability and germline fertility. piRNAs are transcribed from long noncoding RNAs (lncRNAs) encoded by many discrete genomic loci, some of which exceed several hundred kilobases, by RNA polymerase II. Both uni-strand and dual-strand transcription exist, and the splicing process is stalled for these products. The regulatory mechanisms how these piRNA primary transcripts differentiate from mRNA or other lncRNA, and be specifically transfer into subsequent maturation into piRNA are not fully understood. So far, it has been demonstrated that, maternal piRNA could possibly induce silent homogenous gene to produce new piRNA, and new sequence insert into active piRNA gene would be processed into new piRNA. We suspect that there might be epigenetic signature in piRNA gene loci involved in the differentiation from other lncRNA and mRNA. In this project, we will use the hybrid dysgenesis system of the Drosophila animal model, combine cutting-edge genetics, genomics, and bioinformatics methods to study the regulatory mechanisms of piRNA loci, and uncover how these mechanisms differ from mRNA loci and other lncRNA loci.

piRNA是一类在原生动物中广泛存在的~30nt的单链非编码RNA，通过与PIWI家族蛋白结合，有效调控转座子等活性，维持生殖细胞基因组的稳定。基因组中的piRNA大多成簇存在形成较长的基因，并招募RNA聚合酶II转录成长链初级产物。但与mRNA或其他lncRNA不同，piRNA基因可双链转录，且未被剪切的初级转录本会被送往核膜Nuage区域加工并选择性扩增反义链piRNA用以沉默转座子等。到底是什么机制使得piRNA基因的初级产物能够区别于mRNA或其他lncRNA，被特异性地选择加工成成熟piRNA仍不得而知。已经证实，母源piRNA能够诱导沉默的同源基因位点产生新的piRNA，而在piRNA基因区域插入新的序列也可被加工成成熟piRNA，我们推测piRNA基因区域可能存在着特殊的表观遗传特性指导其生成与加工。在该项目中，我们用果蝇杂交不育模型，研究在piRNA重建恢复雌性果蝇生殖能力

piRNA是一类可以与PIWI蛋白互作的小RNA，它的长度一般在24到32个碱基直接，并且不编码氨基酸。piRNA主要存在于动物的生殖系统中。这些非编码小RNA产自于基因组中一些被称为piRNA基因或者piRNA簇的区域，这些区域通常在1kbp至100kbp之间。piRNA可以通过引导PIWI蛋白来抑制转座子的表达及专座，或者调控靶基因的表达水平。在成年的哺乳动物中，大部分的piRNA都产自于粗线期piRNA基因，但是研究者门仍不知道粗线期piRNA基因是如何在生殖细胞中特异性的被激活，并且粗线期piRNA的转录本是如何被区别于其他转录本，被呈递只piRNA生产通路中的。同时，我们也不清楚在piRNA通路被突变后，转座子的转座是如何进行的，转座事件是否对特殊的基因组元件有着偏好性，并且不同的转座子是否有者不同的偏好性。.在本研究中，我们通过整合性的研究分析，发现了长的第一个外显子和组蛋白酰化是粗线期piRNA基因的两个在哺乳动物中保守的基因组和表观遗传组特征。这些结果有助于我们了解这些生殖细胞保护者的转录和进化机制，对生殖和遗传病研究领域具有十分重要的作用。为了研究转座子的转座机制，我们开发的两个软件用以鉴定转座事件；分别为使用二代基因组测序数据寻找转座的TEMP2和使用三代基因组测序数据寻找转座的TEMP3。我们的结果表明，TEMP2和TEMP3在鉴定转座事件的精确度和敏感度上优于其他已有的软件，这成为了我们研究转座机制的先觉成果，同时也为研究者研究转座子提供了算法基础。我们继而使用了TEMP2对piRNA通路突变和杂合不育导致的转座子激活果蝇进行了深入研究。研究发现，转座子激活之后，会特异性地靶向特定的基因组元件进行转座。其中，LTR转座子会靶向活跃蛋白质编码基因的启动子和被H3K36me3修饰的外显子；LINE转座子中的I-element则会特异性地偏好远离染色体着丝粒的区域；而DNA转座子中的P-element则大部分地在复制起始位点上富集。由于转座子的运动与基因组进化和疾病的产生息息相关，这些研究成果可以极大地提高我们对基因组和疾病生物学的理解，并为研发潜在的靶向药物提供理论基础。.