piRNA转录过程有何奥秘？

真核生物基因组中有很多转座元件和重复序列，这些转座元件失调会造成一系列影响，比如DNA损伤等。PIWI-RNA(piRNA)是一类生殖细胞特有的小 非编码RNA，它可以通过与PIWI蛋白结合，对转座子进行调控，保护生殖细胞不受转座元件失调影响。在果蝇、斑马鱼和小鼠生殖细胞中，piRNA基因主 要以重复序列簇形式存在，它们可以反映基因组近期转座活性。这些基因簇在生殖细胞发育过程中表达，以保持piRNA水平。已有研究认为piRNA主要来源 于Pol II转录的单链RNA前体，随后在胞质聚集。

piRNA基因簇可以分为两类：单链簇和双链簇。单链簇主要以基因一条链为模板产生piRNA，是体细胞piRNA产生的主要模式;双链簇产生piRNA 则需要基因的两条DNA链通过一个乒乓循环机制，产生正义和反义piRNA(图2)。单链簇有Pol II转录的特征，比如Pol II在转录起始位点附近的聚集，在启动子区域的组蛋白H3K4me2修饰富集以及转录产物的5’帽子。这与老鼠piRNA簇特性一致，它们的piRNA大多数来自一条DNA链。

与此相反，果蝇中piRNA双链基因簇看起来则有些特别：它们在启动子区域缺乏染色质的H3K4me2修饰，没有清晰的转录终止位点和5’端帽子结构，它们更依赖于Pol II对邻近基因的通读。它们的转录本不会被剪切，所以会表现出内含子的一些特性。一般情况下，这种转录模式所得到的无5’帽子结构转录本经常会导致RNA 转录终止并被降解。但是双链基因簇所产生的piRNA却可以躲开降解，最终形成成熟piRNA，这是如何做到的?在近期，两个来自不同地区的研究组在对果蝇中piRNA转录机制进行研究时，有了新的发现。

这两个研究小组发现了一个对piRNA双链基因簇转录非常重要的因子：异染色质蛋白Rhino(Rhi)。Rhi、Rai类转录终止辅助因子 Cutoff(Cuff)及Deadlock蛋白(Del)会形成一个复合体，利用Rhi对H3K9me3型染色质修饰的结合活性，结合到双链基因簇染色 质区域，而且Rhi可以把piRNA的双链基因簇同其他携带有H3K9me3的异染色质区域区分开。另外，在一些位点上Rhi还需要Piwi蛋白和 H3K9甲基转移酶Eggless(Egg)才能实现功能，这表明piRNA和piRNA诱导的异染色质形成存在一个前馈环(feedforward loop)，Piwi-piRNA复合体所形成的异染色质会沉默某些转座子，但piRNA基因却不被沉默，其中机制还有待继续研究。

piRNA前体在普通mRNA3’端上游，没有完整的5’帽子结构，Rhi通过结合H3K9me3，把Cuff带到了piRNA前体附近，尽管Cuff作为转录终止辅助因子，具有终止Pol II转录过程所需要的5’端→3’端核酸外切酶活性，但结合到piRNA前体5’端的Cuff非但没有终止转录，反而会保护他们不会被降解，研究者认为，可能是因为Cuff比它的同源物缺少某些关键氨基酸。

除了Rhi、Cuff，抑制piRNA前体剪切还需要DEAD box解旋酶UAP56，它们共同作用，阻止Cap复合体结合到前体piRNA上，进而抑制Cap复合体组装剪切复合物，但UAP56抑制剪切的具体机制依然未知。

Rhi、 Cuff和UAP56共同结合到piRNA的双链簇上，使得Pol II通读成为可能，但是在piRNA单链基因簇上，Rhi就不足以产生piRNA了。Rhi只能同时结合到piRNA基因簇的两条互补链上才能发挥作用， 这表明在乒乓机制中，piRNA基因簇的双链特性是产生piRNA的先决条件。在miRNA和siRNA生成过程中，需要双链RNA(dsRNA)产生 Dicer-1和Dicer-2，但是在piRNA生成过程中，却并不需要。相反，Dicer-2所产生的siRNA中，却也会出现能够生成dsRNA的 互补转录本，但是这类基因并不常见。究竟双链基因簇的互补特性如何对piRNA的生成做出贡献?这将会是下一个令人兴奋的发现。