Piwi-assosierte RNAer

Piwi-assosierte RNA-er (Piwi-RNA-er eller piRNA - er) er en tredje klasse av forstyrrende RNA -er som forhindrer utvidelsen av egoistiske genetiske elementer ( transposonene ). Denne gruppen av molekyler i RNAi-banen har vært den siste som ble identifisert, og er derfor den minst kjente, selv om studien introduserer nye synspunkter for forståelsen av mekanismene for RNA-interferens. I motsetning til miRNA(som også er kodet i genomet), initieres produksjonen av piRNA-ene, som medierer lyddemping i denne banen, fra noen få hovedkontrollregioner i genomet. Naturen til de primære transkripsjonene generert av piRNA-er er fortsatt dårlig forstått, men under behandlingen produseres det kutt som ligner på de som forekommer i RNAi-banen (for mer informasjon, gå til siRNA -er, avsnitt "Definisjon og virkemåte"). definerer 5'-endene til modne piRNA-er. [ 1 ]

Discovery

Da de utførte det første arbeidet med å karakterisere miRNA , klonet Aravin og medarbeidere i laboratoriet til T. Tuschl [18] i 2003 totale populasjoner av små RNA-er, som kom fra forskjellige stadier av Drosophila- utviklingen . [ 2 ] I tillegg til miRNA av forventet størrelse (~22-nukleotider), oppnådde Aravin et al. også en fraksjon av RNA mellom 24 og 29 nt. Disse RNA-ene hadde en funksjon som skilte dem fra miRNA-er: de manglet fullstendig den komplementære miRNA/miRNA*-regionen som finnes i hårnålsforløperstrukturen til miRNA-er (se avsnittet "Biogenese og prosessering" av miRNA- er ). Dette innebærer at 24 til 29 nt RNA følger en annen biogenesevei enn miRNA. De fleste av disse nye RNA-ene tilsvarte repeterende områder av Drosophila -genomet eller til transposoner, og ble derfor kalt "repeat-associated small interfering RNAs" ( repeat-associated small interfering RNAs eller rasiRNAs ).

Samtidig ble det oppdaget noen mutasjoner i Caenorhabditis elegans som, mens de eliminerte RNAi-banen, ga økt transposonmobilitet, noe som tyder på at begge prosessene (RNAi og transposoner) var relatert. [ 3 ] [ 4 ] Imidlertid behandler RNAi-banen i fluer dobbelttrådet DNA til korte 21 nt siRNA - er, forskjellig fra 24 til 29 nt rasiRNA-ene, så ytterligere studier som undersøkte forholdet mellom RNAi og transposoner var nødvendig.

PiRNA-er assosieres spesifikt med Piwi

Generelt assosieres de små RNA-ene som fungerer i RNAi med proteiner fra "Argonaute"-familien, og danner det RNA-induserte lyddempingskomplekset (RISC) (for mer informasjon, se RISC-komplekset ). I dette komplekset gir Argonaute-proteinet den biokjemiske aktiviteten som spalter mål-mRNA og interagerer med andre proteiner, mens det lille RNA gir substratspesifisitet gjennom sekvenskomplementaritet. Argonaute-proteiner deler et karakteristisk PAZ-domene (Piwi, Argonauta, Zille) og et karakteristisk Piwi-domene, og i henhold til sekvensen deres kan de grupperes i tre familier: [ 5 ]

Når det gjelder Drosophila , har 5 Argonaute-proteiner blitt identifisert: [ 6 ]

Flere studier har vist at Piwi underfamilieproteiner assosieres med en distinkt populasjon av små RNA i Drosophila , [ 7 ] [ 8 ] mus, [ 9 ] [ 10 ] rotter [ 11 ] og sebrafisk. [ 12 ]

Alle piRNA-er har det til felles at de mangler nabo-genomiske sekvenser for å danne en hårnål. Derfor må piRNA i alle arter stamme fra en annen type forløper enn miRNA. Drosophila rasiRNA-ene kan betraktes som en undergruppe i piRNA-ene, og som i C.elegans , har betydningen av Piwi for transposon-lydestilling også blitt demonstrert genetisk i Drosophila . [ 13 ] På den annen side viser musemutanter for Mili eller Miwi (to museproteiner homologe med Piwi) økt transposerbart elementmobilitet, noe som tyder på at muse-piRNA-er også er assosiert med transposonkontroll. [ 14 ]

Imidlertid er ikke alle piRNA-er homologer av gjentatte sekvenser og transposoner: hos mus og rotter er andelen gjentatte sekvenser i genomet 40%, men repetisjoner representerer bare ~17% av alle piRNA-er, mens en tilfeldig fordeling burde generere ~40 % gjentatte sekvenser blant piRNA-ene.

Et trekk som er felles for alle piRNA-er (og skiller dem fra miRNA - er) er at de stammer fra et begrenset antall "hot spots" i genomet. Denne evnen til å generere piRNA-er er bevart i synteniske regioner (i klassisk genetikk beskriver begrepet synteny den fysiske samlokaliseringen av loci på samme kromosom i et individ eller en art; konseptet er relatert til genetisk kobling ) – for eksempel mellom musen og rotten – men de spesifikke sekvensene til piRNA-ene er ikke bevart. [ 15 ] Kanskje hot spots er assosiert med, eller er nødvendige for å generere, spesifikke kromatinstrukturer, og deres betydning kan gå utover produksjonen av piRNA. I Drosophila definerer denne klyngen master regulatoriske loci for transposonkontroll. For eksempel utøver det flamske lokuset (som kontrollerer utvidelsen av ''sigøyner'' og andre mobile elementer) sin funksjon ved å utvikle en piRNA-respons mot disse sekvensene. [ 16 ] Brennecke og kolleger foreslo at master regulatoriske loci representerer et sted for genetisk hukommelse av transposoner i fluer. Det er imidlertid ikke klart hvorfor produksjonen av piRNA-er må konsentreres i spesifikke regioner.

Biogenese av piRNAer

De best kjente interfererende RNA -ene, siRNA -ene og miRNA -ene, genereres henholdsvis fra en dobbelttrådet eller hårnålsforløper; disse forløperne behandles av RNAse III-enzymer. Hos fluer blir lange dobbelttrådete RNA-er (dsRNA-er) behandlet av Dicer-2 (Dcr-2), for å generere <21 nt siRNA-duplekser. Primære miRNA -er (pri-miRNA-er) behandles først av Drosha i kjernen for å produsere miRNA-forløpere (pre-miRNA-er), deretter eksporteres til cytoplasmaet og ferdigstilles av Dicer-1 (Dcr-1) for å generere miRNA-duplekser. /miRNA* av <22 nt (se artikler om siRNA og miRNA for mer informasjon).

I analogi ble Drosophila rasiRNA opprinnelig antatt å bli behandlet av en Dicer-lignende RNase III-aktivitet. [ 2 ] I Drosophila er imidlertid både Dcr-1 og Dcr-2 unødvendige for produksjon av piRNA, [ 17 ] og i sebrafiskkimlinjer har homozygote mutanter for dicer normale nivåer av piRNA. [ 12 ]

Så hvis piRNA-er ikke trenger Dicer-aktivitet, hvordan genereres de? Storskala sekvenseringsinnsats viser at piRNA -er funnet ved siden av genomiske steder vanligvis har samme orientering, selv om de av og til endrer denne strengskjevheten i en piRNA- genererende klynge . [ 10 ] [ 8 ] [ 16 ] Dette arrangementet antyder at piRNA-er kan genereres fra sekvensiell prosessering av en lang og sannsynligvis unik enkelttrådet RNA-forløper. Men flere studier er nødvendig for å avklare de nøyaktige biogenese-veiene til piRNA-er.



Referanser

  1. Hartig JV, Tomari Y, Forstemann K. (2007). "piRNAs - de eldgamle jegerne av genominntrengere." Genes Dev. 21 (14). 1707-13 . [1]  
  2. ^ a b Aravin AA, Lagos-Quintana M, Yalcin A, Zavolan M, Marks D, Snyder B, Gaasterland T, Meyer J, Tuschl T. (2003). "Den lille RNA-profilen under utviklingen av Drosophila melanogaster." DevCell 5 (2). 337-50 . [to]  
  3. Sijen T, Plasterk RH. (2003). "Transposon-demping i Caenorhabditis elegans kimlinje ved naturlig RNAi." Natur 426 . 310-314 . [3]  
  4. Vastenhouw NL, Fischer SE, Robert VJ, Thijssen KL, Fraser AG, Kamath RS, Ahringer J, Plasterk RH. (2003). «En genomomfattende skjerm identifiserer 27 gener involvert i transposon-demping i C. elegans.». curr. Biol. 13 . 1311-1316 . [4]  
  5. ^ Yigit E, Batista PJ, Bei Y, Pang KM, Chen CC, Tolia NH, Joshua-Tor L, Mitani S, Simard MJ, Mello CC. (2006). "Analyse av C. elegans Argonaute-familien avslører at distinkte Argonauter opptrer sekvensielt under RNAi." Celle 127 (4). 747-57 . [5]  
  6. Williams RW, Rubin GM. (2002). "ARGONAUTE1 er nødvendig for effektiv RNA-interferens i Drosophila-embryoer." Proc Natl Acad Sci US A. 99 (10). 6889-94 . [6]  
  7. ^ Vagin VV, Sigova A, Li C, Seitz H, Gvozdev V, Zamore PD. (2006). "En distinkt liten RNA-bane demper egoistiske genetiske elementer i kimlinjen." Science 313 (5785). 320-4 . [7]  
  8. a b Saito K, Nishida KM, Mori T, Kawamura Y, Miyoshi K, Nagami T, Siomi H, Siomi MC. (2006). "Spesifikk assosiasjon av Piwi med rasiRNA-er avledet fra retrotransposon og heterokromatiske regioner i Drosophila-genomet." Genes Dev. 20 (16). 2214-22 . [8]  
  9. Aravin A, Gaidatzis D, Pfeffer S, Lagos-Quintana M, Landgraf P, Iovino N, Morris P, Brownstein MJ, Kuramochi-Miyagawa S, Nakano T, Chien M, Russo JJ, Ju J, Sheridan R, Sander C, Zavolan M, Tuschl T. (2006). "En ny klasse av små RNA-er binder seg til MILI-protein i musetester." Nature 442 (7099). 203-7 . [9]  
  10. ^ a b Girard A, Sachidanandam R, Hannon GJ, Carmell MA. (2006). "En kimlinjespesifikk klasse av små RNA-er binder pattedyrs Piwi-proteiner." Nature 442 (7099). 199-202 . [10]  
  11. Lau NC, Seto AG, Kim J, Kuramochi-Miyagawa S, Nakano T, Bartel DP, Kingston RE. (2006). "Karakterisering av piRNA-komplekset fra rotteforsøk." Science 313 (5785). 363-7 . [elleve]  
  12. a b Houwing S, Kamminga LM, Berezikov E, Cronembold D, Girard A, van den Elst H, Filippov DV, Blaser H, Raz E, Moens CB, Plasterk RH, Hannon GJ, Draper BW, Ketting RF. (2007). "En rolle for Piwi og piRNAs i vedlikehold av kjønnsceller og transposondemping i sebrafisk." Cell129 ( 1 ). 69-82 . [12]  
  13. ^ Kalmykova AI, Klenov MS, Gvozdev VA. (2005). "Argonaute-protein PIWI kontrollerer mobilisering av retrotransposoner i Drosophila mannlige kimlinje." Nucleic Acids Res. 33 (6). 2052-9 . [1. 3]  
  14. Aravin AA, Sachidanandam R, Girard A, Fejes-Toth K, Hannon GJ. (2007). "Utviklingsregulerte piRNA-klynger impliserer MILI i transposonkontroll.". Science 316 (5825). 744-7 . [14]  
  15. ^ Girard A, Sachidanandam R, Hannon GJ, Carmell MA. (2006). "En kimlinjespesifikk klasse av små RNA-er binder pattedyrs Piwi-proteiner." Nature 442 (7099). 199-202 . [femten]  
  16. ^ a b Brennecke J, Aravin AA, Stark A, Dus M, Kellis M, Sachidanandam R, Hannon GJ. (2007). Diskrete små RNA-genererende loki som masterregulatorer for transposonaktivitet i Drosophila. Cell128 ( 6 ). 1089-103 . [16]  
  17. ^ Vagin VV, Sigova A, Li C, Seitz H, Gvozdev V, Zamore PD. (2006). "En distinkt liten RNA-bane demper egoistiske genetiske elementer i kimlinjen." 2006 313 (5785). 320-4 . [17]