全 文 ：生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
第22卷 第7期
2010年7月
Vol. 22, No. 7
Jul., 2010
文章编号 ：1004-0374(2010)07-0623-05
收稿日期：2010-04-06
基金项目：国家自然科学基金项目(30770474, 90919016,
30970621); 中国科学院知识创新工程重要方向性项目
(KSC2-YW-R-096, KSCX1-YW-R-64)
*通讯作者：E-mail: mfliu@sibs.ac.cn
piRNA 和 PIWI 蛋白的功能机制研究进展
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，上海200031)
摘　要：piRNA 是 2006 年 7 月在动物生殖细胞中发现的一类新小分子非编码RNA。piRNA 特异地与PIWI
家族蛋白相互作用，因此，被命名为PIWI-interacting RNA，简称piRNA。这类长度在26~32 核苷酸
的小分子非编码 RNA 代表了一个生殖细胞转座子沉默的独特小 RNA 通路。它们可能通过与 PIWI 家族
蛋白质相互作用，在表观遗传学水平和转录后水平沉默转座子等基因组自私性遗传元件，参与生殖干细
胞自我维持和分化命运决定、减数分裂、精子形成等生殖相关事件。在 p i R N A 发现后短短数年的时
间，对其生物发生、功能及作用机制的研究都取得了诸多重大突破。该文就 piRNA 研究的最新研究进
展作一简述。
关键词：p i R N A ；P I W I；生殖细胞；表观遗传调控；转录后水平调控
中图分类号：Q 5 2 　　文献标识码：A
piRNA and PIWI in animal germ cells
ZHAO Shuang, LIU Mo-fang*
(State Key Laboratory of Molecular Biology, Institute of Biochemistry and Cell Biology, Shanghai Institutes for
Biological Sciences, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200031, China )
Abstract：A novel class of small non-coding RNA termed as PIWI-interacting RNA (piRNA) was recently
discovered in the mammalian and Drosophila germline. Through interacting with PIWI family of proteins, the 26-
32 nt long piRNA may represent a distinct small RNA pathway that contributes to transposon silencing in germ
cells via novel mechanisms of epigenetic and posttranscriptional regulation. piRNAs and PIWI proteins are
predominantly present in the germ cells and crucial to germline stem cell (GSC) self-renewal and differentiation,
meiosis, spermiogenesis, and other gametogenic events. Impressive progresses have been achieved in under-
standing the biogenesis, function and mechanism of piRNA in the past year. A few of the recent progresses were
summarized here.
Key words：piRNA; PIWI; germ cell; epigenetic regulation; posttranscriptional regulation
21世纪以来，科学家们在生物特别是高等生物
中发现了多种内源的小分子非编码 R N A ，包括
miRNA、hsRNA、rasiRNA 和 piRNA 等。它们通
过介导 mR N A 降解、翻译抑制、D N A 甲基化修饰
和异染色质形成等在转录及转录后水平调节基因表
达，形成一个全新的遗传信息表达调控网络，在细
胞分裂和分化、个体生长发育和繁殖等生命活动过
程中发挥重要作用。因此，对小分子非编码 R N A
的发现、生物学功能及作用机制等的研究已经成为
当前生命科学研究的重要热点和前沿。在2006年7
月才在生殖细胞中发现的piRNA，已成为当前小分
子非编码 RNA 研究领域的一个明星。
1　piRNA 的发现
2006年7月，四个独立的研究组几乎同时在果
624 生命科学 第22卷
蝇、小鼠、大鼠和人等物种的生殖系细胞中发现了
一类新型小分子非编码RNA，因为它们特异性地与
PIWI 蛋白质相互作用，所以被命名为PIWI相互作
用RNA (PIWI-interacting RNA)，简称piRNA[1-4]。
PIWI 是一类生殖系细胞专一性蛋白。
与之前发现的miRNA/siRNA 相比，piRNA 有
以下不同之处：(1) 与不同的Argonaut家族蛋白质
相互作用。Argonaute 家族蛋白质是小分子RNA 介
导基因沉默作用的核心组分，该家族成员都有PAZ
和 PIWI结构域[5-7]。miRNA/siRNA 主要与Ago亚家
族的Ago1 和 Ago2 相互作用，而piRNA 则与PIWI
亚家族的Aub、Piwi 和 Ago3相互作用。此外，Ago
蛋白主要参与miRNA/siRNA 的功能执行，而PIWI
成员则伴随着piRNA 的生物发生和生物学功能行使
等一系列过程[8]。 (2) 生物发生的途径不同。miRNA
由含发夹结构的原始miRNA(Primary miRNA)分别经
过RNase III家族酶Drosha和Dicer两步切割，生
成长度为19～25 nt 的成熟miRNA；piRNA 长度为
26～32 nt，有很强的正义链或反义链专一性，通
常由20～90 kb的单链RNA前体切割产生[2]。piRNA
的生成依赖PIWI亚家族蛋白而不依赖Dicer[9]。另
外，不同于miRNA 和 siRNA，piRNA 的 3 末端被
甲基化修饰，推测可能对piRNA 的稳定性及功能至
关重要[10-11]。 (3)基因组分布不同。大多数miRNA基
因位于基因的内含子或基因间隔区，piRNA 基因簇
则主要分布在转座子、重复序列等区域，并在染色
体上的位置具有物种间保守性[8]。 (4) 作用机制不同。
miRN A 主要在转录后水平通过抑制翻译或促进靶
mRNA 降解调控基因表达；而piRNA 可能通过表观
遗传调控及转录后调控等方式发挥基因沉默作用[12-14]。
此外，小鼠的Mili/piRNA 可增加靶mRNA 的稳定
性，可能对靶基因的表达有正调控作用[15]。
2　piRNA 的分类及结构特点
piRNA 特异地与PIWI 亚家族蛋白偶联。同一
物种通常有多种PIWI成员，如果蝇PIWI包括Piwi、
Aub和 Ago3；小鼠PIWI则有Miwi、Mili和 Mili2。
与不同PIWI蛋白质偶联的piRNA，其表达谱和长度
有明显差别。在果蝇的卵巢中，Piwi主要存在于滋
养层细胞，而Aub则主要存在于生殖干细胞，与之
对应的是，Piwi偶联piRNA 和Aub偶联piRNA也特
异地在相应的细胞中表达，并且Piwi偶联的piRNA
普 遍 长 于 A u b 偶 联 p i R N A
[14]。miwi与mili在小鼠睾
丸中时序性地表达，mili在精子形成的早期表达(精
母细胞到减数分裂粗线期)，miwi 的表达则相对较
晚，在减数分裂的粗线期到圆形精子阶段表达。在
这两个时段中出现的piRNA长度也有差异，Mili偶
联RNA长度为26～28 nt，Miwi 偶联piRNA 则相对
较长，为29～32 nt[1-4]。因此, 可以根据偶联的蛋
白质，将piRNA进行分类，如果蝇piRNA分为Piwi-
piRNA、Aub-piRNA 和 Ago3-piRNA；小鼠 piRNA
分为Miwi-piRNA、Mili-piRNA 和 Mili2-piRNA。
piRNA的长度集中在26～32 nt，不同PIWI蛋
白质偶联的piRNA，都有以下的特征：5端第一个
核苷酸偏爱U(>87%)，而第二个核苷酸则有非U 倾
向性；与miRNA 相同，piRNA 的 5 端携带磷酸基。
此外，piRNA 3 末端被甲基化修饰[8,10-12]，目前已
知其修饰是由RNA 甲基转移酶Hen1 执行[16-18]。
3　piRNA 的生物合成
不同于miRNA，piRNA 不是由含茎环结构的前
体剪切产生。p i R N A 序列的基因组分布表明，
piRNA 通常成簇出现，并且有很强的正义链或反义
链专一性，因此，推测 piRNA 可能是由长的单链
RNA 剪切产生。对于 piRNA 产生的机制，目前还
没有直接的生物化学证据，但一个基于生物信息学
分析提出的“乒乓模型”(ping pang model)假说，得
到了许多研究者的认同[19,20]。
通过对果蝇的三类 piRNA——Piwi-piRNA、
Aub-piRNA 和 Ago3-piRNA 的序列分析，发现了以
下现象：(1) Piwi-piRNA和 Aub-piRNA主要来自反
义链，而Ago3-piRNA几乎都来自正义链；(2) Piwi-
piRNA和 Aub-piRNA 5端具有明显的U偏爱性，而
Ago3-piRNA 5端第10个核苷酸大多为A；(3) 许多
Ago3-piRNA 5端的10 nt序列与Piwi-piRNA和Aub-
piRNA 5端的10 nt序列刚好互补配对。推测Piwi、
Aub和Ago3与piRNA 结合形成的piRNA复合物(piRC)
具有剪切活性，可以切割与piRNA 序列互补的RNA
底物。基于这些发现，Hannon 实验室提出了piRNA
生物发生的 “ 乒乓模型 ” 假说[19]。
这个模型认为，反义链的piRNA 前体经过未知
核酸酶的加工，生成了 5 端具有 U 偏爱性的初级
piRNA，这些piRNA 与 Aub或 Piwi结合形成假设具
有核酸酶活性的piRC。piRC 在 piRNA 的引导下，
通过碱基配对方式识别并结合正义链的 piRNA 前
体，然后发挥剪切活性切割正义链piRNA 前体，产
625第7期 赵　爽，等：piR NA 和 PI WI 蛋白的功能机制研究进展
生次级piRNA 的 5 端，之后，具有成熟5 端的正
义链piRNA前体被某种核酸酶切割形成3端，产生
成熟的正义链piRNA。正义链piRNA 与 Ago3 结合
形成 piRC，通过同样的方式识别并切割反义链的
piRNA 前体。这样就形成了一个piRNA 生物发生循
环，正义链的piRNA 和反义链的piRNA 相互识别，
又通过PIWI 成员的剪切，循环生成(图1)。并且，
在piRC 切割piRNA 前体扩增piRNA 的同时，也直
接降解了从转座子等自私性遗传元件转录的 RNA，
这样就达到了转座子的转录后水平抑制，该模型将
piRNA 的生物合成途径与piRNA 功能发挥偶联在了
一起 。
和PAZ 之间的距离决定了与之结合的小RNA 长度。
在piRNA 生成过程中，其前体的5 端可能与PIWI
结合，然后由某种内切酶或外切酶根据PIWI与PAZ
之间的距离，裁剪生成 3 端，得到长度适当的成
熟piRNA。“PIWI 决定 ” 假说还提出了执行3裁剪
活性的两个候选者：与 piRNA 有相互作用的核酸酶
Squash和 Zucchini, 因为这两个基因的突变会破坏
piRNA 的产生并导致重复序列活性升高[22]。此外，
最新的研究表明，一些特定转座子的piRNA 表达水
平依赖于Zucchini[23]。
因为新生果蝇piRNA的表达谱与成年果蝇有较
大的区别，且更接近于母本，因此推测果蝇piRNA
可以通过母本细胞质传递到子代，而这些由母系遗
传的piRNA 可在发育早期沉默转座子的表达，很可
能是 “ 乒乓循环 ” 的初级piRNA[24]。
4　piRNA 的功能机制
pi RN A 的生物学功能主要是牵涉生殖相关事
件，这不仅因为piRNA 特异性地在生殖世系细胞中
表达，还因为piRNA 途径中的重要蛋白质与配子形
成事件或胚胎发育直接相关。P I W I 家族蛋白是
piRNA 途径的核心组份，在生殖干细胞命运决定、
减数分裂、精子发生等配子形成事件中具有重要作
用。piwi基因突变致使动物的生殖干细胞维持及分
化异常，导致雄性不育，基因敲除小鼠 M i w i 、
Miwi2和Mili都使精子形成受阻，诱导精子凋亡和
雄性不育[25-29]。一些其他piRNA相关基因的突变也
导致减数分裂和生殖细胞发育受阻，进而发生个体
不育或胚胎发育异常，如小鼠的tdrd家族基因[30-32]，
果蝇的spindle E、rmitage maelstrom、 krimper、
zucchini和squash等的突变 [22,23]。而斑马鱼ziwi的表
达与性别决定有关，成活的ziwi突变体均为雄性[9]。
推测这些 p i R N A 相关基因的功能可能都牵涉到
piRNA。
生殖世系细胞担负着遗传信息的世代传递，生
殖细胞的发育分化过程包括表观遗传信息重建、个
体发育的全能性信息保留及减数分裂重组产生遗传
多样性。生殖世系细胞基因组的完整性对个体和物
种维持至关重要，而转座元件是引发基因组突变的
主要因素。在人和小鼠的基因组中，转座元件和它
们的化石序列(fossil sequences)分别占了基因组的
46% 和 39% [33, 34]。为控制这些诱发突变的移动元
件，宿主基因组进化了一些分子防御系统，如哺乳
动物的DNA甲基化修饰，使这些自私性元件被表观
虽然“乒乓模型”对piRNA的生成及其作用机制
都进行了比较合理的解释，但它还有不少漏洞需要
完善。首先，它不能解释“乒乓循环”的起始，
也不能说明piRNA的3端是如何形成的；如果成熟
的piRNA 仅通过10 nt 配对识别前体链，在拥有庞
大基因组的高等生物中，这不足以保证其作用的特
异性；最重要的是，这个模型目前还没有生物化学
的实验证据支持。
目前，研究者们正在不断地完善和修正这个假
说。Aravin 等[13]发现这个模型可能同样适合小鼠的
piRNA生物生成。Hartig等[21]提出了 “PIWI决定”假
说来解释piRNA 3端的形成。Argonaute家族蛋白
质都含有一个PIWI 结构域和一个PAZ 结构域，分
别与小RNA的 5磷酸和 3 末端结合，也就是PIWI
图1 乒乓模型[19,36]
注：正义链的piRNA 和反义链的piRNA 分别偶连Ago3 和
Piwi/Aub。通过5端碱基互补配对相互识别，又通过PIWI
亚家族蛋白质的剪切，循环生成。
626 生命科学 第22卷
遗传沉默，而通过小分子非编码RNA降解或抑制靶
RNA 的 RNAi 和相关系统则是宿主进化获得的另外
一个重要机制。
动物的生殖细胞配备了一个独特的 piRNA 途
径，用于控制转座子和重复序列等基因组自私性遗
传元件(selfish genetic elements)的活性，以确保生
殖系细胞基因组的稳定性和完整性。基因敲除
MILI、MIW2 等都会导致DNA 甲基化水平的降低和
IAP和LINE1等转座子的去抑制[13,30,35-37]。如果蝇的
Flamenco 基因座(locus)控制三个转座子(gypsy、
Idefix 和 ZAM)的活性，是一个piRNA 基因簇。与
野生型相比，flamenco突变体果蝇的gypsy的转录
活性升高，Flamenco piRNA 的水平却明显下降；
此外，piwi 突变体果蝇的gypsy 转录活性也升高。
这些证据表明，PIWI-piRNA 可能负调控转座子的
活性[19]。另外，破坏piRNA 基因簇Nct1/2 使其不
能再产生piRNA，则导致LINE-1 转座子的活性增
加，这直接证明了piRNA 特异性地沉默自私性遗传
元件[35]。
已有的证据表明，PIWI-piRNA 可能介导表观
遗传调控。piRNA 途径可能调控异染色质形成。果
蝇Piwi与异染色质蛋白HP1a (heterochromatin pro-
tein 1a)直接相互作用，Piwi与染色质结合依赖于
RNA，并且与Piwi 结合的染色体和与HP1a 结合的
染色体有重叠[8,12]。Klattenhoff等[38]的工作也表明，
果蝇HP1同源蛋白Rhino对双链piRNA (dual strand
piRNAs)的生成，及其沉默转座子功能的发挥是必
需的。此外，有证据表明，piRN A 途径介导了基
因组DNA 甲基化修饰。piRNA 途径参与了小鼠生殖
细胞的转座子等DNA甲基化[36,37]。Aravin等[36]进而
提出了piRNA途径与原始生殖细胞(primordial germ
cells , PGCs)的DNA去甲基化和生殖细胞的DNA从
头甲基化偶联的模型，认为 piRNA 指导 DNA 甲基
化酶Dmnt3A 和 Dnmt3L 的作用，进而调控了对遗
传发育的控制。
此外，转录后水平调控可能也是piRNA途径的
沉默作用机制之一。PIWI-piRNA 可直接切割 RNA
调节基因表达[14,39]。aub突变体果蝇的睾丸中星蛋
白(Stellate protein)大量积累，而果蝇睾丸中与Aub
结合的piRNA大多为Su(Ste)的反义链，Su(Ste)是星
蛋白的抑制基因(suppressor of Stellate)，两者的序
列有很高的同源性，同时Su(Ste)也是一个piRNA基
因座。此外，分离的Aub-piRC 具有剪切与其序列
互补的靶RNA 的活性。因此，推测Aub 与 Su(Ste)
来源的piRNA结合形成Aub-piRC，经碱基互补配对
识别并剪切星蛋白 mRNA，在转录后水平负调控其
表达[39]。
5　结语与展望
尽管目前对piRNA的生物生成和功能已有一些
假设和认识，但尚处于一个初步阶段，还有许多关
键性问题需要回答。就目前的发展趋势来看在以下
几个方面势必将取得突破：(1)piRNA 生物生成：
PIWI家族蛋白在piRNA生物生成中究竟起了什么作
用；piRNA 加工成熟过程中的其他必需蛋白因子，
如参与piRNA 3端形成的核酸内切酶等；(2)piRNA/
PIWI 生物学功能及机制：piRNA/PIWI 功能复合物
的蛋白质组成及作用模式；piRNA/PIWI 执行表观
遗传调控和转录后水平调控的分子机制；piRNA/
PIWI介导的表观遗传调控和转录后水平调控如何与
其生物学功能相联系，如转座子沉默、生殖系细胞
发育命运决定、生殖干细胞维持、减数分裂及其他
配子形成事件；(3)其他：piRNA 如何参与或调控
PIWI 蛋白的功能；piRNA 是否有独立于PIWI 外的
其他功能。这些问题的回答将解析由piRNA 介导的
新层面的基因表达调控网络，同时也将有助于我们
解答一些生殖细胞发生过程中的重要生物学问题，
如哺乳动物原始生殖细胞的全基因组DNA去甲基化
问题、生殖细胞的基因组DNA从头甲基化和出生前
细胞周期阻滞(cell cycle arrest)问题等，同时可能
为研究人类疾病(如男性不育)，发展新型RNA治疗
等提供新的理论基础和技术思路。
[参　考　文　献]
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