自然界很多動物都會根據(jù)環(huán)境的變化來調(diào)節(jié)繁殖對策，產(chǎn)生不同數(shù)量的后代。動物種群的內(nèi)在因素在調(diào)節(jié)繁殖對策方面也發(fā)揮著重要作用，比如種群密度、性比、親緣關(guān)系和個體競爭強弱等都會影響所繁殖的后代數(shù)量。而后代的多少與種群的維持及動態(tài)密切相關(guān)，同時也是動物適應(yīng)性的重要標(biāo)志。人們對這種自然現(xiàn)象有所了解，但是對動物如何自主調(diào)控生殖策略的分子機制并不知曉。
2022年4月26日，Cell Reports雜志在線發(fā)表了來自中科院動物研究所/生物互作卓越中心康樂院士團隊聯(lián)合復(fù)旦大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院青年研究員魏園園題為“piRNA-guided intron removal from pre-mRNAsregulates density-dependent reproductive strategy”的研究論文，該研究揭示了飛蝗適應(yīng)種群密度變化而導(dǎo)致后代數(shù)量改變的分子機制。
飛蝗是研究密度依賴生殖策略的理想模型。根據(jù)種群密度不同，飛蝗存在群居型和散居型兩種生態(tài)型。群、散飛蝗盡管基因型完全相同，但是它們采取的生殖策略有顯著差異，即高密度的群居型飛蝗生殖力較低，以便將能量投入到長距離遷飛來尋找新的棲息地。而低密度散居型飛蝗采取較高的生殖力以產(chǎn)下更多的后代個體，來維系種群穩(wěn)定性。兩型飛蝗之間可以根據(jù)密度的變化相互轉(zhuǎn)變，生殖對策也隨之發(fā)生轉(zhuǎn)換，進(jìn)而導(dǎo)致產(chǎn)卵量發(fā)生變化。飛蝗這種適應(yīng)種群密度變化而導(dǎo)致后代數(shù)量改變的機制是一個非常有挑戰(zhàn)性的問題。
Piwi-interacting RNAs(piRNAs)是動物生殖系統(tǒng)中富集表達(dá)的一類特殊非編碼小RNA。群居型和散居型雌蟲卵巢中piRNAs的表達(dá)差異非常明顯。散居型飛蝗較高的產(chǎn)卵頻率與piRNAs的高表達(dá)具有明顯的關(guān)聯(lián)性。特別是在散居型飛蝗卵小管尖端部位（原卵區(qū)和卵黃發(fā)生前期卵母細(xì)胞），piRNAs發(fā)生顯著高表達(dá)。在散居型雌蟲體內(nèi)抑制飛蝗Piwi蛋白Liwi1、piRNAs或者piRNAs的靶標(biāo)基因oo18 RNA-binding protein (Orb)，都能夠降低其產(chǎn)卵頻率和卵塊數(shù)。反之，在群居型雌蟲體內(nèi)過表達(dá)piRNAs，能夠提高群居型雌蟲的產(chǎn)卵頻率和卵塊數(shù)。有趣的是，piRNAs通過正調(diào)控模式影響靶標(biāo)基因Orb的表達(dá)。目前國際上普遍認(rèn)為Piwi/piRNAs通路經(jīng)典的作用機制，是通過抑制轉(zhuǎn)座子的轉(zhuǎn)座來保證生殖系統(tǒng)內(nèi)基因組的完整性。Piwi/piRNAs通路對蛋白編碼基因的調(diào)控雖有報道，但大部分是抑制性的。散居型飛蝗中這些piRNAs如何實現(xiàn)對蛋白編碼基因Orb轉(zhuǎn)錄本的正向調(diào)控？
康樂院士團隊研究發(fā)現(xiàn)，Liwi1/piRNAs作用的靶標(biāo)是Orb內(nèi)含子中一個不具有轉(zhuǎn)座功能的殘缺轉(zhuǎn)座子“Copia”。飛蝗中Liwi1/piRNAs通過與剪切體蛋白U2AF35互作，促進(jìn)內(nèi)含子從前體mRNA中移除，導(dǎo)致產(chǎn)生更多的Orb成熟mRNA轉(zhuǎn)錄本，從而實現(xiàn)了Orb在散居飛蝗卵小管尖端的高表達(dá)。因此，piRNAs促進(jìn)Orb前體mRNA剪切的這種非經(jīng)典調(diào)控模式是導(dǎo)致散居型飛蝗高產(chǎn)卵頻率和高產(chǎn)卵量的關(guān)鍵原因（圖1）。
圖1 piRNAs促進(jìn)生殖相關(guān)基因mRNA剪切增強散居飛蝗生殖力
飛蝗生殖系統(tǒng)中為什么會發(fā)展出這樣一種由Piwi/piRNAs通路介導(dǎo)的序列特異性的前體mRNA剪切模式呢？研究人員通過利用最新發(fā)展的針對微量細(xì)胞內(nèi)RNA與蛋白互作研究的LACE-seq技術(shù)，發(fā)現(xiàn)在飛蝗卵小管尖端中，大量與卵母細(xì)胞分裂和發(fā)育密切相關(guān)的mRNA前體共同結(jié)合在Liwi1和U2AF35這兩個蛋白上，提示生殖系統(tǒng)這種piRNAs介導(dǎo)的特殊剪切機制可能對生殖細(xì)胞的成熟至關(guān)重要。
Piwi/piRNAs參與的前體mRNA剪切模式是否在動物界普遍存在？研究人員進(jìn)一步在果蠅及小鼠生殖細(xì)胞系中，驗證了Piwi蛋白和剪切體蛋白的互作以及piRNAs介導(dǎo)的mRNA剪切機制的普遍性（圖2）。這項研究也暗示了飛蝗中發(fā)現(xiàn)的Piwi/piRNAs介導(dǎo)的編碼基因mRNA剪切新機制可能在其它動物調(diào)節(jié)繁殖對策中也是普遍存在的。
這項最新研究是繼康樂院士團隊發(fā)現(xiàn)piRNAs是群居型、散居型飛蝗中表達(dá)差異最大的一類小RNA (Wei et al, Genome Biology, 2009)之后，進(jìn)一步證明了piRNAs對飛蝗生殖策略可塑性的調(diào)控機制，并揭示了Piwi/piRNAs介導(dǎo)的前體mRNA剪切對生殖功能相關(guān)基因的加工調(diào)控作用。該團隊近期的另一項研究還發(fā)現(xiàn)，腦中的piRNAs通過調(diào)控神經(jīng)肽NPF1的表達(dá)來控制飛蝗的取食量(Wang et al., EMBO Reports, 2022)。飛蝗piRNAs研究在生殖細(xì)胞和體細(xì)胞中同時取得的重要進(jìn)展，既能為開發(fā)蝗災(zāi)控制方法提供新思路，又將飛蝗發(fā)展成為研究非編碼RNA的重要模式昆蟲。
圖2 Piwi/piRNAs介導(dǎo)的mRNA剪切機制的普適性
生物互作卓越中心何靜助理研究員為該論文的第一作者，生物互作卓越中心康樂院士和復(fù)旦大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院青年研究員魏園園為共同通訊作者。
He J, Zhu YN, Wang BC, Yang PC, Guo W, Liang B, Jiang F, Wang HM, Wei YY*, Kang L*. 2022. piRNA-guided intron removal from pre-mRNAs regulates density-dependent reproductive strategy. Cell Reports, 39:110593.
溫馨提示：本文轉(zhuǎn)自“生物互作卓越中心”，文章轉(zhuǎn)載只為學(xué)術(shù)傳播，無商業(yè)用途，版權(quán)歸原作者所有，如涉及侵權(quán)問題，請聯(lián)系我們，我們將及時修改或刪除。
TOPSCI-拓普思由世界知名大學(xué)博士團隊加盟打造的科研學(xué)術(shù)分享，SCI論文編輯/SCI期刊解析/SCI論文寫作技巧指導(dǎo)/科研工具運用/科研成果轉(zhuǎn)化等。
好了，這篇文章的內(nèi)容發(fā)貨聯(lián)盟就和大家分享到這里，如果大家網(wǎng)絡(luò)推廣引流創(chuàng)業(yè)感興趣，可以添加微信：80709525 備注：發(fā)貨聯(lián)盟引流學(xué)習(xí)； 我拉你進(jìn)直播課程學(xué)習(xí)群，每周135晚上都是有實戰(zhàn)干貨的推廣引流技術(shù)課程免費分享！
