粗线期piRNA位点的转录及表观遗传调控

Animals use three types of small silencing RNAs to regulate genes and transposons: microRNAs (miRNAs), small interfering RNAs (siRNAs), and PIWI-interacting RNAs (piRNAs). piRNAs are the most recently discovered class of small silencing RNAs. They are primarily expressed in the germ line. piRNA sequences map to discrete genomic loci, some of which exceed several hundred kilobases (kb); these loci are called piRNA clusters. Mice have several types of piRNAs depending upon developmental stages. One type includes pachytene piRNAs that emerge during 12.5–14.5 days post partum (dpp). Mice that lack pachytene piRNAs show arrested spermatogenesis. We recently combined computation with experiments to reconstruct piRNA precursor transcripts in mouse testis in pachytene stages. We also constructed a network that regulates the transcription of pachytene piRNA-producing loci. We identified the protein that initiates transcription of pachytene piRNA genes as A-MYB. A-MYB also initiates the transcription of the genes encoding many piRNA biogenesis factors. Furthermore, A-MYB promotes its own transcription through a coherent feed-forward loop. In this project, we aim to study transcriptional regulation of pachytene piRNA loci, in particular by contrasting the expression, epigenetic and transcription factor binding signals across multiple cell types and across multiple mammalian species. The results of these analyses will enable us to add more transcription factors and epigenetic signals to the A-MYB-centric transcriptional network that we have built, and provide mechanistic insights into the fundamental process of spermatogenesis.

动物在生殖器官中表达一种小RNA，piRNA，其功能为沉默转座子及其它重复序列元件，以及保护生殖细胞的DNA双链。小鼠生后12.5-14.5天表达粗线期piRNA；缺失这种piRNA的小鼠会表现出精子成熟障碍。最近我们组装了小鼠粗线期piRNA前体转录本，并构建了一个调控粗线期piRNA基因转录的通路。我们发现A-MYB是起始转录粗线期piRNA基因的首要调节因子。A-MYB同时也起始转录许多piRNA生成因子的编码基因。A-MYB还可以通过正反馈回路来促进它自己的转录。结合这些结果，我们构建了一个以A-MYB为起始点的连贯的前馈环路。本项目的目标是通过在多种哺乳动物的多种细胞类型中比较基因表达、表观遗传学和转录因子结合信号来研究粗线期piRNA位点的转录调控。这些分析结果会给以A-MYB为中心的转录网络增加更多的转录因子和表观遗传学信号，也会为精子发生提供更深刻的理解。

piRNA是一类长度在24-32个碱基的小非编码RNA。piRNA可以与PIWI蛋白结合，并引导PIWI蛋白对转座子进行沉默或者对基因的转录进行调控。在成年哺乳动物的睾丸中，大部分的piRNA都产自于1-100kbp长的被称为粗线期piRNA基因的基因组区域。粗线期piRNA基因是典型的由RNA聚合酶II（Pol II）转录的基因，它们的转录激活是由睾丸特异的转录因子A-MYB调节的。然而，除了A-MYB，我们还不知道粗线期piRNA基因的转录是怎么在基因组和表观遗传组层面上被调控的。另外，由于几乎所以哺乳动物基因组中的转座子都是在几百万年前插入的，所以我们也不知道在新的逆转录病毒转座子入侵基因组时，piRNA是如何应答或抵御的。.我们首先通过结合自己的和公共的转录组和表观遗传组测序数据，用生物信息学的方法研究并发现了粗线期piRNA基因的转录调控模型。我们发现，在启动子上与低或者中CG含量有关的高DNA甲基化可能是粗线期piRNA基因在体细胞组织中沉默的决定性因素，而长的第一个外显子（≥10kbp）和延伸至整个外显子的高组蛋白赖氨酸酰化是进化上保守的基因组和表观遗传组特征，可以激活粗线期piRNA基因在生殖细胞中的特异性表达，并且特异性地将粗线期piRNA基因与其他基因区别，决定它们生产piRNA的命运。.考拉逆转录病毒（KoRV）是一种伽马逆转录病毒。由于KoRV入侵考拉基因组的时间再进化上很短（<40,000年），我们得以通过其研究生殖细胞是如何应对逆转录病毒的入侵的。KoRV会同时表达剪切的Env转录本和未剪切的病毒基因组转录本。但是我们发现，考拉生殖细胞中不仅会生产KoRV的piRNA，而且这些piRNA大都来自于KoRV未剪切的转录本，并且有着很强的正向偏好性。我们进一步地研究发现选择性地从未剪切病毒转录本生产piRNA的现象在从昆虫到后生哺乳动物中都是保守的。我们提出，病毒转录时的跳过剪切可能是一个保守的分子模式，会引导前病毒基因组转录本进入piRNA生产的机制中进行切割和沉默。这个过程和初级免疫系统一样，是一个“内生”的piRNA免疫反应，它会一直沉默转座子的转座，直到反向piRNA的生成，建立更为强大的序列特异性的免疫。