3月15日，國際學術期刊Nature Communications在線發(fā)表了中國科學院分子細胞科學卓越創(chuàng)新中心（生物化學與細胞生物學研究所）劉默芳研究組、同濟大學丁德強團隊和國科大杭州高等研究院王鑫合作研究成果：“piRNA loading triggers MIWI translocation from the intermitochondrial cement to chromatoid body during mouse spermatogenesis”。該研究發(fā)現(xiàn)piRNA結合決定了MIWI蛋白能否在小鼠生精細胞不同生殖顆粒（Germ granules）間正常轉運，并證明MIWI轉運異常致小鼠精子發(fā)生阻滯和雄性不育。

piRNA（PIWI interacting RNA）可與PIWI蛋白特異性地在動物生殖系細胞中表達，二者形成PIWI/piRNA復合物，通過抑制轉座子、調控蛋白質編碼基因發(fā)揮功能，為動物生殖細胞發(fā)育分化及生育必需。生殖顆粒是存在于動物生殖細胞胞質中的無膜細胞器，是RNA生成和代謝的重要場所，對生殖細胞發(fā)育分化至關重要，這類無膜細胞器在精子發(fā)生過程中隨發(fā)育階段不同而呈現(xiàn)動態(tài)多變的模式。大量研究顯示PIWI/piRNA通路與一些生精細胞特異性生殖顆粒偶聯(lián)。特別是，位于線粒體簇間的Intermitochondrial cement（IMC）和細胞核周的Chromatoid body（CB）被分別認為是piRNA加工成熟和功能的場所，也是被研究得最清楚的兩種生殖顆粒。IMC出現(xiàn)于精子發(fā)生早期，在晚期精母細胞階段開始消失，直到球形精子細胞階段完全消失；CB則在IMC消失過程中逐步出現(xiàn)，最終在球形精子細胞中聚集形成單一的點狀結構。小鼠PIWI蛋白MIWI、MILI和MIWI2在雄性生殖細胞中呈現(xiàn)時空特異性表達，其中MIWI在初級精母細胞階段開始表達，并主要定位在IMC中參與piRNA加工生成。隨后，MIWI在球形精子細胞中富集在CB中，執(zhí)行PIWI/piRNA復合體的生物學功能。雖然目前已明確了MIWI隨精子發(fā)生進程從IMC轉移到CB，但如何啟動MIWI在兩類生殖顆粒間的轉運仍是領域內懸而未決的問題。

鑒于MIWI在IMC中參與piRNA加工成熟、在CB中參與piRNA生物學功能，研究人員推測MIWI可能是結合了piRNA后才從IMC轉運至CB，也就是說會不會是piRNA結合觸發(fā)了MIWI的轉運過程？為了驗證這個猜測，研究人員首先構建了兩種piRNA結合缺陷Miwi突變小鼠（MiwiYY/YY和MiwiYK/YK）。先前的研究表明， MIWI在初級精母細胞階段表達后，會與線粒體錨定的Tudor家族蛋白TDRKH結合，從而被招募到IMC中。而在MiwiYY/YY和MiwiYK/YK小鼠中， 雖然在精母細胞中觀察到了piRNA結合缺陷MIWI突變蛋白被正常定位到了IMC中，但在球形精子細胞中突變MIWI蛋白卻不能正常轉運到CB，表明piRNA結合對MIWI在精子發(fā)生進程中的正常轉運至關重要。機制研究表明，piRNA結合MIWI后可減弱其與TDRKH的相互作用，故伴隨piRNA在IMC加工成熟及MIWI結合piRNA，MIWI即與TDRKH解離，進而從IMC脫離。研究人員進一步發(fā)現(xiàn)，MIWI與TDRKH解離會暴露其N端的精氨酸殘基，使得PRMT5（蛋白精氨酸甲基轉移酶）對其甲基化修飾，導致MIWI蛋白離開IMC后即被定位CB的另一Tudor家族蛋白TDRD6識別結合，最終被招募到CB中執(zhí)行MIWI/piRNA的生物學功能。最后，利用構建的MiwiYY/YY和MiwiYK/YK小鼠模型，研究人員發(fā)現(xiàn)MIWI轉運缺陷會導致MIWI蛋白降解，piRNA生成異常，最終導致小鼠雄性不育。

基于以上研究發(fā)現(xiàn)，研究人員提出了MIWI蛋白轉運的工作模型：MIWI在粗線期中期的精母細胞中表達，其未甲基化的N端與TDRKH互作而被招募到IMC中參與piRNA的加工。而隨著piRNA加工成熟，會誘導MIWI的構象發(fā)生變化，進而減弱其與TDRKH的相互作用，導致其從IMC釋放。從IMC釋放的MIWI暴露其N端的精氨酸殘基，經PRMT5甲基化以后，會促進MIWI與TDRD6的相互作用從而被TDRD6招募到CB中。

綜上，此項研究揭示了piRNA結合MIWI是如何啟動并推動MIWI從IMC轉移到CB的精細過程，建立piRNA加工生成和功能發(fā)揮之間的聯(lián)系，并證明了該機制為精子發(fā)生和雄性生殖必需，為相關男性不育癥的臨床診治提供了理論依據(jù)和潛在的靶點。

國科大杭高院生命學院博士生魏歡，同濟大學博士生高潔，分子細胞卓越中心林迪航博士以及同濟大學耿睿嶸碩士為該論文共同第一作者。分子細胞卓越中心-國科大杭高院劉默芳研究員、同濟大學丁德強教授以及國科大杭高院王鑫副研究員為該論文的共同通訊作者。該項研究得到了分子細胞卓越中心李勁松研究員和美國密歇根州立大學的Chen Chen教授、分子細胞卓越中心動物實驗技術平臺和細胞分析技術平臺的大力協(xié)助，同時得到了中國科學院、基金委、科技部、上海市科委、杭高院、新基石研究員項目等經費支持。

文章鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-46664-3

小鼠精子發(fā)生中MIWI蛋白從IMC轉運到CB的精細途徑模型圖