全 文 ：第27卷 第3期
2015年3月
生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
Vol. 27, No. 3
Mar., 2015
文章编号：1004-0374(2015)03-0344-07
DOI: 10.13376/j.cbls/2015046
收稿日期：2014-12-18
基金项目：国家杰出青年科学基金项目(31300656)；上海市自然科学基金项目(13ZR1464300)；中国科学院上海生命科
学研究院优秀青年人才领域前沿项目(2013KIP202)
*通信作者：E-mail: mfliu@sibcb.ac.cn
PIWI/piRNA调控基因表达研究的新进展
赵　爽，刘默芳*
(中国科学院上海生命科学研究院生物化学与细胞生物学研究所，分子生物学国家重点
实验室RNA研究中心，上海市分子男科学重点实验室，上海 200031)
摘　要：piRNA是 2006年发现的一类在动物生殖系特异性表达的小分子非编码 RNA。piRNA的生成和功
能行使均依赖 PIWI蛋白。之前的研究认为，PIWI/piRNA通过表观遗传水平和转录后水平沉默转座子等自
私性遗传元件，维持生殖细胞基因组的稳定性和完整性。最近的研究发现，PIWI/piRNA还可以通过转录后
水平调控蛋白质编码基因，参与胚胎发育、性别决定、配子发育等事件的调控。现简要介绍 PIWI/piRNA
调控基因表达研究的新进展。
关键词：piRNA；PIWI；基因表达调控；mRNA衰减
中图分类号：Q74 文献标志码：A
PIWI/piRNA-mediated gene expression regulation
ZHAO Shuang, LIU Mo-Fang*
(Center for RNA Research, State Key Laboratory of Molecular Biology, Shanghai Key Laboratory of Molecular
Andrology, Institute of Biochemistry and Cell Biology, Shanghai Institutes for Biological Sciences,
Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200031, China)
Abstract: piRNAs (PIWI-interacting RNAs) are a class of germline-specific small non-coding RNAs that were
identified in 2006. Previous studies indicate that piRNA-binding proteins, PIWI, are required for both biogenesis and
function of piRNAs. The PIWI/piRNA has been implicated as an innate immune system that prevents the activity of
selfish genomic elements (such as retrotransposon) at epigenetical and posttranscriptional levels, and maintains the
刘默芳，中国科学院上海生化与细胞所研究组长 (PI)、研究员、博士生导师。
曾获 2013年度国家杰出青年科学基金和 2006年度上海市“浦江人才计划”等支持。
该研究组从事非编码 RNA功能机制研究，主要围绕 piRNA与哺乳动物精子发生、
microRNA与人类癌症等开展较系统的探索。近期的工作先后发现了小鼠 piRNA
及其结合蛋白MIWI在后期精子细胞中协同降解的调控机制 (Dev Cell 2013)，小
鼠粗线期 piRNA指导父本 mRNA在精子形成后期大规模降解 (Cell Res 2014)；同
时还发现 microRNA在炎症相关肿瘤发生中具有极其重要的调控作用，是联系炎
症 -癌症的新介质因子 (Cancer Res 2014；Cell Res 2014；EMBO J 2012；Cell Res
2012；Cancer Res 2010)。这些原创性研究成果揭示了小分子非编码 RNA的生理
和病理功能机制 , 可为男性不育症及肿瘤等疾病的诊治研究提供理论依据和相关
基础。
赵　爽，等：PIWI/piRNA调控基因表达研究的新进展第3期 345
stability and integrity of genome in gamete. Interestingly, recent studies show that by regulating various protein-
coding genes, PIWI/piRNA is involved in embryonic development, sex determination, gametogenesis, and etc. In
this review, we summarized recent progresses in the study of PIWI/piRNA-mediated gene expression regulation.
Key words: piRNA; PIWI; gene expression regulation; mRNA decay
近年来，非编码 RNA (non-coding RNA, ncRNA)
领域的研究正在生命科学研究领域掀起一次新
浪潮。各种 ncRNA的发现以及新的作用机制的解
析不断拓展我们对 ncRNA的认识。根据长度，非
编码 RNA可以分为两类，大于 200 nt的长非编码
RNA (long non-coding RNA, lncRNA)和小分子非编
码 RNA。piRNA是 2006年发现的一类小分子非编
码 RNA，因为它与生殖细胞特异性 PIWI家族蛋白
相互作用，被称作PIWI相互作用RNA (PIWI-interact-
ing RNA)，简称 piRNA[1-4]。PIWI蛋白为 piRNA生
物发生和功能行使所必需 [5-8]。PIWI/piRNA对生殖
干细胞干性的维持、配子形成、胚胎发育等多种生
殖相关事件至关重要。
piRNA来源于基因组中的 piRNA簇 (piRNA
cluster)或转座子区域，由长的单链转录本切割产
生。成熟的 piRNA 24~32 nt。之前的研究使人们对
piRNA的生物发生有了较深入的了解。piRNA在动
物界广泛表达，目前尚未在植物中检测到。除线虫
外，从海绵动物 (sponges)到高等哺乳动物中保守
存在两条 piRNA生成途径——piRNA的初级生成
途径和次级生成途径 [9]。对果蝇 piRNA通路的研
究表明，遗传自亲代的 piRNA能够识别与之同源
的 piRNA簇 [10]并招募甲基转移酶 dSETDB1对组
蛋白进行 H3K9me3修饰 [11]。异染色质蛋白 HP1的
同源蛋白 Rhino识别并结合具有特殊染色质标记的
piRNA簇，招募 Deadlock和 Cutoff形成 RDC复合
物指导双链 piRNA簇 (dual-strand piRNA cluster)的
转录 [12]。转录出的 piRNA前体由 UAP56保护不被
剪辑并转运出核 [13-14]。胞质中的 piRNA前体被
Nuage组分 Vasa结合，并可能在 Nuage完成加工
过程。首先，由核酸内切酶 Zucchini切割产生
piRNA的 5端 [15-18]。在 HSP90的帮助下，该中间
体被 PIWI蛋白识别并加载 [19]。由于 PIWI蛋白
MID结构域中的一个环形结构与尿嘧啶 (U)具有更
高的亲和力，因此，初级 piRNA的 5端第一个碱
基具有尿嘧啶倾向性 [20]。随后，piRNA的 3端由
未知核酸酶修剪 [21]。不同 PIWI蛋白结合的 piRNA
长度略有差异，推测 piRNA的长度取决于与之结
合的 PIWI蛋白，即在 piRNA 3末端修剪过程中，
不同 PIWI蛋白保护的 RNA长度决定了 piRNA的
最终长度。最后，RNA甲基化酶Hen1催化 piRNA 3
末端的 2 氧甲基化修饰，完成 piRNA 的初级加
工 [22-25]。
PIWI家族在果蝇中有 3个成员——Piwi、Aub
和 Ago3，其中 Piwi和 Aub结合初级 piRNA。由初
级加工途径生成的 Aub-piRNA大多来源于转座子
的反义链，可以通过序列互补配对识别正义链的转
录本，然后由 Aub切割形成次级 piRNA的 5端，
并装载到 Ago3上，再通过与初级加工途径类似的 3
端修剪、甲基化修饰等过程得到正义链来源的次级
piRNA。Ago3-次级 piRNA复合物再以同样的机制
剪切产生反义链的 Aub-次级 piRNA，即被称作乒
乓循环 (ping-pang cycle)的 piRNA次级加工途径。
小鼠睾丸中同样存在由Mili和Miwi2介导的乒乓循
环。事实上，已有研究报道次级通路在多种脊椎动物，
甚至是无脊椎海绵动物中保守存在，提示这一过程
具有重要的生物学意义。目前认为，来源于 piRNA
基因簇的初级 piRNA可以广谱靶向细胞中的各种
遗传元件，而次级通路则针对有活性的转座子序列
扩增特异性的 piRNA，发挥沉默转座子的作用。
尽管转座子为物种进化提供了功能元件，但它
仍被视作具有个体威胁的自私性遗传元件。动物生
殖系特异性 piRNA通路沉默转座子活性，维持生
殖细胞基因组的稳定性和完整性，为遗传信息在亲
代和子代之间的稳定传递提供了保障。在 piRNA
次级生成途径中，PIWI/piRNA以转座子转录本为
前体，通过乒乓循环切割产生新的 piRNA；在完成
piRNA生物合成的同时直接切割转录本，实现了在
转录后水平沉默转座子。此外，PIWI/piRNA还在
表观遗传水平沉默转座子的表达。果蝇 Piwi/piRNA
招募异染色质蛋白 HP1a和组蛋白甲基转移酶
Su(var)3~9，介导组蛋白 H3K9甲基化修饰和异染
色质的形成 [26-28]。小鼠 Miwi2和 Mili通过指导胚
胎 DNA从头甲基化 (de novo methylation)定义基因
组印记模式，沉默转座子活性 [29-32]。
动物个体中含有数百万计的 piRNA，其数量超
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过目前已知的所有其他种类的 RNA。并且，虽然
大部分 piRNA来源于转座子序列，但依然有相当
数量的 piRNA衍生于基因组中的非转座元件，如
线虫 piRNA、小鼠粗线期 piRNA等。以上两个特
征提示，piRNA极有可能具有沉默转座子之外的功
能。而最近一系列的研究也证实，piRNA可参与蛋
白质编码基因的表达调控，在胚胎发育、性别决定
及配子发生等过程中发挥作用。本文将简要介绍
piRNA调控基因表达的新功能。
1　piRNA调控果蝇早期胚胎发育
早在 piRNA被大规模发现前，已有文献报道，
果蝇睾丸组织中 Aub与 Su(Ste)基因座来源的小
RNA协同参与 Stellate基因的表达调控 [33]。Stellate
基因位于果蝇 X染色体，其过量表达会引起细胞中
Stellate蛋白以晶体形式累积，并导致生精细胞发育
受阻、雄性不育。2001年，Aravin等 [33]发现，果
蝇 Y染色体上与 Stellate同源的假基因 Su(Ste)编码
一类小 RNA，其长度大于 siRNA，与 PIWI家族蛋
白 Aub相互作用，即现在熟知的 piRNA。Su(Ste)
基因缺失或 aub突变即检测不到 Su(Ste)来源的
piRNA，同时导致 Stellate蛋白积累、果蝇雄性不
育 [33]。后续的研究发现，Aub-Su(Ste) piRNA通过在
转录后水平降解成熟的 mRNA，实现对 Stellate基
因表达的负调控 [34](图 1A)。值得一提的是，果蝇
睾丸中高达 70%的 Aub-piRNA为 Su(Ste) piRNA，
提示 Stellate基因的表达调控是 Aub-piRNA在果蝇
睾丸中的重要功能之一 [35]。2014年，对灵长类模
式生物狨猴 (Callithrix jacchus)睾丸组织小 RNA表
达谱的分析也发现了假基因来源的 piRNA，提示通
过反向假基因来源的 piRNA调控基因表达可能是
一种在进化上相对保守的机制 [36]。
A，果蝇胚胎中反向假基因Su(Ste)来源的piRNA下调Stellate表达；B，家蚕W染色体来源的Fem piRNA通过切割Masc mRNA
实现性别调控；C，小鼠粗线期piRNA介导后期精子细胞mRNA大规模衰减；D，线虫piRNA双向调控基因表达，执行检测基
因组转录本功能。
图1　piRNA调控基因表达
赵　爽，等：PIWI/piRNA调控基因表达研究的新进展第3期 347
2　piRNA参与家蚕性别决定
家蚕 piRNA的最新研究发现，来自性染色体
的 Fem piRNA通过直接切割靶 mRNA参与性别决
定 [37]。家蚕采用 ZW性别决定系统，即雄性携带两
条 Z染色体，而雌性携带 1条 Z染色体和 1条W
染色体。决定性别的W染色体几乎全部为转座子
序列，至今未鉴定出蛋白质编码基因。W染色体的
转录本可以作为 piRNA前体，加工成 29 nt的 Fem
piRNA，在雌性家蚕中特异性表达。在家蚕胚胎中
转染 Fem piRNA的反义链 RNA或通过 siRNA下调
家蚕 PIWI蛋白 Siwi表达，均导致雌性家蚕出现雄
性化特征。Fem piRNA唯一的靶位点位于 Z染色体
上 Masc基因的第九个外显子区域。Masc编码一个
CCCH串联的锌指蛋白。通过 siRNA下调 Masc表
达，高达 97%的雄性家蚕 Z染色体基因高表达，
且雄性家蚕呈现雌性化，雌性则无明显变化，说明
Masc广谱调节 Z染色体基因表达，实现性别决定
和染色体基因的剂量补偿。有趣的是，5RACE结
果显示，早期胚胎中 Masc mRNA的 5末端均为
PIWI/piRNA的切割位点 (piRNA的第 10和 11位之
间 )，提示 Fem piRNA通过直接剪切 Masc mRNA
发挥作用。进一步，研究者在家蚕胚胎中鉴定出大
量来源于 Masc编码区的 piRNA，它们与另一 PIWI
蛋白 BmAgo3结合，且与 Siwi-Fem piRNA 5端 10 nt
互补配对，呈现乒乓循环特征，即以蛋白质编码
mRNA作为 piRNA前体，PIWI-piRNA通过切割下
调 mRNA表达的同时，产生新的 piRNA(图 1B)。
3　piRNA介导mRNA衰减
2010年，Rouget等 [38]报道发现果蝇 piRNA
参与早期胚胎中母源 mRNA的降解。胚胎发育早
期，随着早期胚胎转录机器的启动，母源 mRNA
逐渐被胚胎 mRNA取代，被称作母源 -合子过渡
(maternal-to-zygonic transition)。过渡过程中，母源
mRNA的降解通过 CCR4-NOT脱腺苷酸复合物介
导。Rouget等 [38]的研究表明，同样遗传自母系的
piRNA在 Nanos mRNA的降解过程中起到靶向作
用。Nanos在早期胚胎中的梯度表达为体轴形成所
必需。研究者发现，piRNA通路成员 Aub或 Piwi
突变抑制 Nanos mRNA降解并影响 CCR4在早期胚
胎中的定位，进一步鉴定发现 CCR4-NOT复合物
与 piRNA复合物相互作用，提示 piRNA复合物参
与 Nanos mRNA脱腺苷酸化反应。随后的序列分析
发现，Nanos mRNA的 3UTR中包含两段转座子片
段序列，可以被转座子 412和 roo来源的 piRNA识
别并结合。缺失与 piRNA互补的 15和 (或 ) 11 nt
序列，或注射 piRNA反义链都会抑制 Nanos mRNA
的脱腺苷酸化反应，并引起胚胎体轴发育异常。以
上结果显示，piRNA可以通过序列不完全互补配对
识别靶 mRNA，介导其衰减，以一种类似 miRNA
的机制参与基因表达调控。
2014年，本研究组报道了小鼠Miwi与粗线期
piRNA介导后期精子细胞中 mRNA大规模清除的
功能和机制 [39]。piRNA在小鼠睾丸组织特异表达，
根据表达时间不同，可分为前粗线期 piRNA和粗
线期 piRNA。其中，前粗线期 piRNA主要来源于
转座子序列，在小鼠出生前后表达，主要与Mili、
Miwi2结合；粗线期 piRNA大多来源于基因间序列，
在减数分裂期表达，主要与Miwi蛋白结合。研究
发现，后期精子细胞中，除 piRNA以外，Miwi还
结合大量蛋白质编码 mRNA。有趣的是，miRNA
靶基因预测软件发现这些 mRNA的 3UTR区域可
以通过部分序列互补配对与 piRNA结合，提示粗
线期 piRNA可能以类似 miRNA的方式发挥作用。
双荧光实验和 polyA检测显示，piRNA可通过促进
mRNA脱腺苷酸化反应，诱导靶 mRNA降解。进
一步的机制研究表明，Miwi与 CCR4-NOT复合物
中的脱腺苷酸酶 CAF1相互作用；通过睾丸转导
shRNA、下调小鼠延长形精子细胞中Miwi或 CAF1
的表达，都会引起近 5 000个靶 mRNA的广泛上调，
且 Miwi和 CAF1下调调控基因重合度高达 90%；
而特定 piRNA的反义链则可抑制其靶 mRNA的脱
腺苷酸化反应和 mRNA降解。值得一提的是，
Miwi与 CAF1的相互作用特异性发生在后期精子
细胞中，而Miwi与 piRNA的结合也在后期精子细
胞中达到顶峰 [40]，提示 pi-RISC在后期精子细胞中
组装，并在此发育阶段完成对细胞质中大量 mRNA
的清除，为精子成熟做准备 (图 1C)。
4　piRNA监测基因组转录本
对线虫 piRNA (21U-RNA)的一系列研究，揭
示了 piRNA在基因表达调控中的双重功能。线虫
piRNA由单个的转录小单元编码，其序列可覆盖几
乎所有的蛋白质编码基因。线虫 piRNA执行生殖
细胞的全基因组转录本监测任务，一方面通过可遗
传的 RNA诱导的表观遗传沉默途径 (RNA-induced
epigenetic silencing pathway, RNAe)沉默外源的“非
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我”(non-self)基因；一方面保护内源基因 mRNA
的稳定性，并激活其表达 [41-44]。21U-RNA加载到
线虫 PIWI蛋白 PRG-1上，通过序列不完全互补配
对识别靶 mRNA，招募 RNA依赖的 RNA聚合酶
(RdRP)合成与 mRNA完全互补配对的 22G-RNA。
22G-RNA可以与两种Argonaute蛋白结合，与WAGO
蛋白结合则招募组蛋白甲基转移酶启动 RNAe，抑
制外源 mRNA表达；与 CSR-1结合则保护内源靶
mRNA不受 RNAe沉默，并激活其表达 (图 1D)。
21U-RNA对基因表达双向调控的确切机制还有待
于进一步的研究。
piRNA在哺乳动物精子发生过程中可能也发挥
基因组监测作用。小鼠精子发育过程中要经历两次
全基因组表观遗传重塑，分别是小鼠出生前后精原
细胞的 DNA从头甲基化和后期精子细胞阶段的组
蛋白替换。在早期精原细胞中，DNA甲基化印记
被清除，直至后期精原细胞阶段通过从头甲基化建
立新的印记模式。在后期精母细胞和球形精子细胞
阶段，组蛋白 H3K9甲基化修饰水平剧烈下降，大
量经典组蛋白被各种组蛋白异构体取代，导致染色
体结构松散，呈现开放状态。开放的染色质结构大
大提高了基因组的转录活性，包括蛋白质编码基因
和长非编码 RNA (lncRNA)在内的大量“非必需”
基因被转录 [45]。有趣的是，piRNA在睾丸中的两
次表达高峰刚好与基因组抑制表观遗传标记低水平
相吻合，提示两者之间可能存在联系。结合前粗线
期 piRNA的Mili和Miwi2参与从头甲基化已有报
道。Watanabe 和 Lin[46]推测，粗线期 piRNA参与
介导精子细胞中“非必需”转录本的调控，执行全
基因组转录本的监测。证据表明，精子细胞中
lncRNA在 CB body (chromatin body)富集，可以作
为 piRNA的靶 RNA被降解 [47-48]，也为这一推测提
供了一定的支持。2012年，Vourekas等 [49]报道，球
形精子细胞中Miwi结合大量在精子形成中发挥功
能的 mRNA，Miwi敲除导致与之结合的 mRNA稳
定性和翻译活性剧烈下降。事实上，这些在精子发
育后期所需的mRNA可能就是前文提到的“非必需”
的蛋白质编码基因。变型是后期精子发育的主要事
件，精子细胞染色体将经历浓缩、鱼精蛋白替换组
蛋白等一系列过程，丧失转录活性；推测精子发育
后期所需蛋白质可能存在转录与翻译的隔离，转录
发生在球形精子细胞阶段，产生的暂时“非必需”
转录本被Miwi结合，保护其不被降解直至蛋白质
翻译完成。
5　piRNA调控基因表达的机制
Argonaute蛋白是小分子非编码 RNA介导基因
表达调控的核心组分。Argonaute蛋白可分为 Ago
亚家族和 PIWI亚家族。miRNA/siRNA与 Ago蛋
白在生物体的各个组织器官广谱表达，主要在转录
后水平介导基因表达调控。根据组织细胞类型和与
靶 mRNA配对的程度不同，miRNA/siRNA途径可
以通过不同机制调控基因表达。植物 miRNA和动
物 siRNA与靶基因高度互补配对，通常诱导靶
mRNA降解。Ago蛋白利用自身的切割活性，介导
靶 mRNA在与向导小 RNA配对区域发生断裂，进
而由核酸外切酶执行靶 mRNA 的降解。动物
miRNA与靶 mRNA不完全互补配对，大多不依赖
Ago切割活性而以翻译抑制或 mRNA衰减下调靶
mRNA的表达。翻译抑制包括在起始阶段抑制翻译
起始复合物的形成，及在延伸阶段引起新生肽链的
降解或翻译提前终止等。miRNA介导 mRNA衰减
的机制与前文阐述的 piRNA介导的 mRNA衰减类
似，主要是通过招募脱腺苷酸复合物 CCR4-NOT
引起 mRNA脱腺苷酸化，进而被核酸酶降解。不
同之处在于，miRNA途径的 Ago蛋白主要与脱腺
苷酸酶 CCR4相互作用，而本研究组的工作显示，
小鼠 Miwi蛋白直接招募脱腺苷酸酶 CAF1，形成
piRISC指导靶 mRNA的脱腺苷化及降解。
与 Ago-miRNA/siRNA途径相比，目前对 PIWI-
piRNA途径介导基因表达调控的机制还知之甚少。
以小鼠Miwi/piRNA为例，Miwi切割活性缺失突变
体与Miwi敲除小鼠表型相同，均导致精子发育停
滞在球形精子阶段，提示切割活性是Miwi在球形
精子细胞中行使功能的重要途径 [7]。与此同时，也
有证据显示球形精子细胞中Miwi参与部分 mRNA
的正调控，Miwi敲除则导致这些 mRNA稳定性和
翻译活性下降 [49]。本研究组最近的结果表明，在后
期精子细胞中，Miwi以不依赖切割活性的方式与
CAF1相互作用，介导 mRNA衰减。有趣的是，体
外实验中，靶 RNA与 piRNA 5端 2-22 nt的互补配
对为Miwi发挥切割活性所必需 [7]；而在Miwi介导
的 mRNA衰减中，仅要求 piRNA与靶基因部分互
补配对即可。与之对应的是，本研究组与中科院北
京动物研究所何顺民博士的一个合作研究显示，
Miwi结合的 piRNA也通过接近完美配对方式，识
别并降解一部分靶 mRNA，而且该调控作用依赖于
Miwi的切割活性 (slicer)[50]。综上所述，与 miRISC
赵　爽，等：PIWI/piRNA调控基因表达研究的新进展第3期 349
类似，piRISC复合物也可能通过多种机制参与基因
表达调控，而其作用的机制可能取决于 piRNA与
靶 mRNA的配对程度以及参与调控的其他蛋白质
因子等。
6　小结与展望
piRNA途径特异性地存在于动物生殖系细胞，
此前的研究多集中于该途径在沉默转座子中的作
用。近年来，随着研究的不断深入，越来越多的证
据显示，piRNA途径以多种不同机制参与基因表达
调控。这些发现在加深了人们对 piRNA通路了解
的同时，也提出了更多新的问题，如 piRNA通路
是否在生殖系中执行 miRNA通路的功能，两者之
间的关系如何；piRNA调控基因表达的机制如何；
piRISC中还有哪些成分或辅助因子；Nuage或 CB
body是否为piRNA介导基因表达调控的场所，等等。
这些问题的解答有助于更全面、更准确地了解
piRNA途径的功能和作用机制。
[参　考　文　献]
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