深圳子科生物報(bào)道:轉(zhuǎn)座子（transposon）由冷泉港實(shí)驗(yàn)室Barbara McClintock（諾貝爾獎(jiǎng)）首先在玉米中發(fā)現(xiàn)。轉(zhuǎn)座子又被稱為“跳躍基因”，類似于內(nèi)源性病毒，能夠在宿主基因組中“復(fù)制和粘貼”自己的DNA，以達(dá)到其自我“繁殖”的目的。轉(zhuǎn)座子的“跳躍”可能會(huì)產(chǎn)生基因組不穩(wěn)定性，并導(dǎo)致動(dòng)物不孕不yu。有多種調(diào)控機(jī)制沉默轉(zhuǎn)座元件并維持基因組完整性，例如組蛋白修飾和DNA的甲基化等。為了抵抗轉(zhuǎn)座子，動(dòng)物的生殖系統(tǒng)進(jìn)化出了一類小非編碼RNA——piRNA（Piwi-Interacting RNA）——來嚴(yán)格調(diào)控轉(zhuǎn)座子的表達(dá)。概念上，真核生物的piRNA通路在功能上類似于原核生物的CRISPR系統(tǒng)。

piRNA簇（piRNA cluster）表達(dá)的piRNA長(zhǎng)度大約在24到31nt之間，通過與PIWI家族蛋白（Argonaute家族蛋白的一個(gè)亞家族）形成piRISC復(fù)合物（piRNA induced silencing complex）而起作用。piRISC復(fù)合物能在轉(zhuǎn)錄（TGS，Transcriptional gene silencing）和轉(zhuǎn)錄后水平的沉默轉(zhuǎn)座子（PTGS，Post-transcriptional gene silencing）上起作用。PTGS主要通過“乒乓循環(huán)”（ping-pong cycle）在切割piRNA靶標(biāo)的同時(shí)產(chǎn)生更多的新生piRNA，從而形成類似“先天免疫系統(tǒng)”的正反饋，在細(xì)胞質(zhì)層面降解轉(zhuǎn)座子RNA。TGS是在轉(zhuǎn)錄水平沉默目標(biāo)轉(zhuǎn)座子——終結(jié)果是誘導(dǎo)轉(zhuǎn)座子插入位點(diǎn)形成組成型異染色質(zhì)。轉(zhuǎn)座子的沉默通常跟組蛋白修飾（H3K9me3）有很強(qiáng)的相關(guān)性。目前認(rèn)為，Piwi/piRNA復(fù)合物通過轉(zhuǎn)座子新生RNA招募Panoramix（Panx），并終導(dǎo)致轉(zhuǎn)座子區(qū)域異染色質(zhì)的形成，該過程需要H3K9me3甲基化轉(zhuǎn)移酶SetDB1/Eggless和H3K4me3去甲基化酶LSD1。

中國科學(xué)院生物物理研究所俞洋團(tuán)隊(duì)和中國科學(xué)院上海生物化學(xué)與細(xì)胞生物學(xué)研究所黃旲團(tuán)隊(duì)（現(xiàn)上海交大醫(yī)學(xué)院）在Nature Cell Biology 雜志上以長(zhǎng)文形式在線發(fā)表了題為A Pandas complex adapted for piRNA-guided transcriptional silencing and heterochromatin formation 的研究，該工作在俞洋/Hannon之前的工作基礎(chǔ)上進(jìn)一步深入闡明了piRNA介導(dǎo)的轉(zhuǎn)座子異染色質(zhì)形成的分子機(jī)制。該研究發(fā)現(xiàn)，生殖細(xì)胞特異表達(dá)的核轉(zhuǎn)運(yùn)因子（NXF）家族蛋白dNxf2能與dNxt1（P15）以及Panx形成三元復(fù)合物，并通過競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合阻止dNxf1（又叫TAP，是介導(dǎo)mRNA出核的經(jīng)典接頭蛋白）與核孔互作，從而導(dǎo)致了轉(zhuǎn)座子新生RNA在核內(nèi)的滯留。該文章證明PANDAS（Panoramix-dNxf2 dependent TAP/p15 Silencing）復(fù)合物的存在，并提出了RNA介導(dǎo)異染色質(zhì)形成的新理論，既阻斷新生RNA出核在調(diào)控異染色質(zhì)過程中起核心作用，又為將來研究其它RNA介導(dǎo)的表觀遺傳調(diào)控提供指導(dǎo)意義。該文章的發(fā)表，也給今年四月份在BioRxiv同時(shí)上線的關(guān)于Drosophila Nxf2的四篇預(yù)印本文章之間的良性競(jìng)爭(zhēng)畫上句號(hào)。

該研究中，俞洋課題組充分利用果蠅這一模式生物的優(yōu)勢(shì)，綜合分析針對(duì)piRNA通路的全基因組RNAi篩選結(jié)果和flybase中全蛋白組免疫沉淀質(zhì)譜的大數(shù)據(jù)，再結(jié)合已建立的RNA拴住報(bào)告基因篩選體系，首先快速鎖定了dNxf2在piRNA/Panx介導(dǎo)的轉(zhuǎn)座子沉默過程中的核心作用。與此同時(shí)，俞洋課題組通過和專注于piRNA通路的結(jié)構(gòu)生物學(xué)家黃旲課題組的精誠合作，解析了Panx-dNxf2互作結(jié)構(gòu)域的晶體結(jié)構(gòu)。作者通過晶體結(jié)構(gòu)的分析發(fā)現(xiàn)，dNxf2的UBA結(jié)構(gòu)域一方面進(jìn)化出跟Panx直接互作的疏水界面，另一方面也丟失了一般NXF家族蛋白固有的結(jié)合核孔復(fù)合物的能力（從而解釋了為什么dNxf2不能像dNxf1一樣介導(dǎo)mRNA出核），為在分子層面進(jìn)一步理解dNxf2的作用機(jī)制奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

由于dNxf2能跟Panx能形成相互依賴的復(fù)合物，dNxf2有著跟Panx類似的誘導(dǎo)基因沉默的功能，即可以通過新生RNA介導(dǎo)基因沉默和異染色質(zhì)形成。和其它經(jīng)典piRNA通路蛋白一樣，dNxf2的缺失會(huì)導(dǎo)致動(dòng)物體*不孕不yu。有趣的是，小鼠的Nxf2敲除之后在特定條件下也有不育的表型。一系列分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)和遺傳學(xué)（co-IP/IP mass spec，GST pull-down，Y2H，GoldCLIP等）也證實(shí)dNxf2確實(shí)是Panx介導(dǎo)轉(zhuǎn)座子沉默過程中的核心蛋白。但是，作者在研究過程中發(fā)現(xiàn)，在dNxf2缺失并一同過表達(dá)Panx的條件下，轉(zhuǎn)座子的H3K9me3基本保持不變。具有諷刺意味的是，在此條件下果蠅卻是*不育的，因?yàn)檗D(zhuǎn)座子仍然是大規(guī)模上調(diào)的。該結(jié)果也直接暗示兩點(diǎn)：1. H3K9me3只是異染色質(zhì)形成的必要非充分條件。2. dNxf2調(diào)控轉(zhuǎn)座子沉默的分子機(jī)制不僅僅是招募Panx以及下游的甲基化轉(zhuǎn)移酶SetDB1那么簡(jiǎn)單。

通過大量的文獻(xiàn)閱讀以及跟研究RNA出核方面的專家（程紅）討論，作者意識(shí)到如果僅是dNxf2自身失去核孔復(fù)合物結(jié)合能力并不足以解釋為什么轉(zhuǎn)座子RNA不能出核。dNxf2還需要阻止經(jīng)典的mRNA出核通路，即通常依賴于mRNA 的5’Cap結(jié)構(gòu)招募的dNxf1（TAP）復(fù)合物。而前人研究也暗示NXF家族蛋白有能力形成異元二聚體，因此，作者大膽假設(shè)dNxf2可能通過抑制dNxf1復(fù)合物來阻止轉(zhuǎn)座子mRNA的出核。令人興奮的是，各方面數(shù)據(jù)包括co-IP，GST pull down，Split luciferase和交聯(lián)質(zhì)譜等都充分支持dNxf2:dNxf1能直接互作）。

后，作者通過體外競(jìng)爭(zhēng)實(shí)驗(yàn)和體內(nèi)瞬時(shí)RNA拴住實(shí)驗(yàn)為dNxf2抑制dNxf1介導(dǎo)的RNA出核功能這一假說提供了充分的證據(jù)（圖4）。非常有意思的是，程紅課題組近在哺乳動(dòng)物的細(xì)胞的研究表明Nxf1是RNA聚合酶Pol II有效延伸（transcription elongation）所必須的。因此，dNxf2抑制Nxf1的后果很可能不僅僅是阻止轉(zhuǎn)座子RNA的出核，很有可能PANDAS會(huì)導(dǎo)致Pol II轉(zhuǎn)錄延伸的停止。雖然這個(gè)理論亟待證實(shí)，但是它可以被地統(tǒng)一在現(xiàn)有的piRNA介導(dǎo)轉(zhuǎn)座子轉(zhuǎn)錄沉默的模型中。

這項(xiàng)研究的共同作者包括（排名不分先后）生物物理所研究生趙康、苗娜、盧曉華，生化細(xì)胞所研究生程莎，吉林大學(xué)研究生徐平和復(fù)旦大學(xué)博士后張玉涵。該研究的合作者包括生化細(xì)胞所研究員程紅、復(fù)旦大學(xué)教授麻錦彪、北京生命研究所研究員董夢(mèng)秋和吉林大學(xué)教授萬由忠。俞洋和黃旲為共同通訊作者。

原文標(biāo)題：

A Pandas complex adapted for piRNA-guided transcriptional silencing and heterochromatin formation