上海生科院揭示果蠅piRNA通路中Papi蛋白序列特異性識別Piwi蛋白在...

2020-11-24 中國科學院

上海生科院揭示果蠅piRNA通路中Papi蛋白序列特異性識別Piwi蛋白在piRNA 3』端修剪過程中發揮生物學功能的分子機制

2018-03-23 上海生命科學研究院

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　　近日，中國科學院上海生命科學研究院生物化學與細胞生物學研究所黃旲研究組的研究成果，以Structural insights into the sequence-specific recognition of Piwi by Drosophila Papi為題，在線發表在PNAS上，該研究揭示了果蠅piRNA通路中Papi蛋白序列特異性識別Piwi蛋白並參與piRNA 3』端修剪的分子機制。

　　piRNA是一類長度約為24-30 nt的小RNA，在機體中起到保護宿主細胞基因組完整性的功能。成熟piRNA生成和加工過程包括前體生成、中間產物加工以及piRNA 3』端修剪和甲基化修飾，最終形成成熟piRNA。piRNA 3』端的加工需要Papi (Tdrkh) 蛋白的參與。以往研究認為，Papi蛋白作為支架蛋白能夠一方面通過其eTudor (eTud) 結構域識別Piwi蛋白N端 (G/A)R重複序列中的精氨酸對稱雙甲基化修飾(sDMA修飾) 從而招募Piwi蛋白，另一方面招募piRNA 3』端Trimmer從而形成piRNA 3』端修剪複合物。但是Papi通過eTudor結構域識別Piwi N端的模型缺少結構基礎。過去研究發現，果蠅中敲除Papi蛋白時能夠特異性影響Piwi蛋白結合piRNA的長度，而Ago3和Aub蛋白結合的piRNA長度卻不受影響。然而對於Papi蛋白敲除特異性影響Piwi蛋白結合piRNA長度這一現象缺少分子機制的解釋。

　　在該項工作中，研究人員精確確定了果蠅Papi蛋白通過其eTud結構域和Piwi蛋白N端相互作用的區段，並對Papi-eTud單體結構、其與Piwi-Ν-R10me2s多肽(第10位精氨酸sDMA修飾)複合物以及其與未甲基化Piwi-N多肽複合物分別進行晶體結構解析。結構揭示了Papi-eTud通過與Piwi N端的「RGRRR」motif進行相互作用，這一motif不同與之前報導其他PIWI蛋白中的(G/A)R重複序列，特異存在於果蠅Piwi蛋白中，並在不同亞種屬的果蠅Piwi蛋白中保守存在；該motif的序列特異性決定了Papi-Piwi蛋白相互作用的特異性。果蠅體內實驗證明，破壞Papi蛋白中與Piwi相互作用重要胺基酸殘基時導致果蠅生殖缺陷和轉座子去抑制。研究人員通過結構生物學，結合co-IP、質譜等體外生化實驗及果蠅體內實驗，證明了果蠅體內Papi和Piwi相互作用的特異性，為解釋Papi如何招募Piwi從而參與piRNA 3』修剪過程並特異性影響Piwi結合piRNA長度的現象提供了分子機制，擴展了人們對於Tudor結構域底物序列特點和結合方式的認識。

　　研究工作得到了國家自然科學基金、中科院戰略性先導科技專項和中科院重大科技基礎設施開放研究項目的支持。

　　(A) Papi-eTud-Piwi-R10me2s複合物整體結構 (B) Papi通過eTud結構域招募Piwi參與piRNA 3』端修剪過程模型

　　近日，中國科學院上海生命科學研究院生物化學與細胞生物學研究所黃旲研究組的研究成果，以Structural insights into the sequence-specific recognition of Piwi by Drosophila Papi為題，在線發表在PNAS上，該研究揭示了果蠅piRNA通路中Papi蛋白序列特異性識別Piwi蛋白並參與piRNA 3』端修剪的分子機制。
　　piRNA是一類長度約為24-30 nt的小RNA，在機體中起到保護宿主細胞基因組完整性的功能。成熟piRNA生成和加工過程包括前體生成、中間產物加工以及piRNA 3』端修剪和甲基化修飾，最終形成成熟piRNA。piRNA 3』端的加工需要Papi (Tdrkh) 蛋白的參與。以往研究認為，Papi蛋白作為支架蛋白能夠一方面通過其eTudor (eTud) 結構域識別Piwi蛋白N端 (G/A)R重複序列中的精氨酸對稱雙甲基化修飾(sDMA修飾) 從而招募Piwi蛋白，另一方面招募piRNA 3』端Trimmer從而形成piRNA 3』端修剪複合物。但是Papi通過eTudor結構域識別Piwi N端的模型缺少結構基礎。過去研究發現，果蠅中敲除Papi蛋白時能夠特異性影響Piwi蛋白結合piRNA的長度，而Ago3和Aub蛋白結合的piRNA長度卻不受影響。然而對於Papi蛋白敲除特異性影響Piwi蛋白結合piRNA長度這一現象缺少分子機制的解釋。
　　在該項工作中，研究人員精確確定了果蠅Papi蛋白通過其eTud結構域和Piwi蛋白N端相互作用的區段，並對Papi-eTud單體結構、其與Piwi-Ν-R10me2s多肽(第10位精氨酸sDMA修飾)複合物以及其與未甲基化Piwi-N多肽複合物分別進行晶體結構解析。結構揭示了Papi-eTud通過與Piwi N端的「RGRRR」motif進行相互作用，這一motif不同與之前報導其他PIWI蛋白中的(G/A)R重複序列，特異存在於果蠅Piwi蛋白中，並在不同亞種屬的果蠅Piwi蛋白中保守存在；該motif的序列特異性決定了Papi-Piwi蛋白相互作用的特異性。果蠅體內實驗證明，破壞Papi蛋白中與Piwi相互作用重要胺基酸殘基時導致果蠅生殖缺陷和轉座子去抑制。研究人員通過結構生物學，結合co-IP、質譜等體外生化實驗及果蠅體內實驗，證明了果蠅體內Papi和Piwi相互作用的特異性，為解釋Papi如何招募Piwi從而參與piRNA 3』修剪過程並特異性影響Piwi結合piRNA長度的現象提供了分子機制，擴展了人們對於Tudor結構域底物序列特點和結合方式的認識。
　　研究工作得到了國家自然科學基金、中科院戰略性先導科技專項和中科院重大科技基礎設施開放研究項目的支持。

　　(A) Papi-eTud-Piwi-R10me2s複合物整體結構 (B) Papi通過eTud結構域招募Piwi參與piRNA 3』端修剪過程模型

列印 責任編輯：侯茜

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