歴史と場所 1980年代初頭、ショウジョウバエの ゲノム における単一の突然変異が、雌の生殖細胞系列にある Gypsy と呼ばれるレトロウイルス様要素 のすべてのコピーを特異的に活性化できることが発見された。これらのGypsyを「踊らせる」突然変異の部位は、フラメンコ遺伝子座 と呼ばれた。2001年、Aravinらは、二本鎖(ds)RNAを介したサイレンシングが生殖細胞系列における レトロトランスポゾン の制御に関与していると提唱し、2003年までに、トランスポゾンの痕跡が「生きている」トランスポゾンのサイレンシングに必要なdsRNAを生成する可能性があるという考えが浮上した。[ 10 ] 200,000 bpのフラメンコ遺伝子座の配列決定は困難であった。なぜなら、この遺伝子座は、複数のGypsyを含む42種類の異なるトランスポゾンの104個の挿入からなる転移因子断片で詰まっており、すべて同じ方向を向いていたからである。実際、piRNAは動物ゲノム全体にクラスターとして存在し、これらのクラスターには、異なる位相のトランスポゾン断片に一致するpiRNAが10個程度から数千個程度含まれている可能性があります。このことから、2007年に、生殖細胞系列では、トランスポゾンとは逆の向きにあるpiRNAクラスターによってコードされた長い一本鎖転写産物から一次piRNAのプールが処理され、piRNAがトランスポゾンによってコードされた転写産物にアニーリングして相補し、それによって分解が引き起こされるという考えが生まれました。このようなクラスターに正しい向きで着地したトランスポゾンは、そのトランスポゾンに対して個体を多かれ少なかれ免疫するものにし、このような有利な変異は集団中に急速に広がります。フラメンコ遺伝子座の元の変異は、マスター転写産物の転写を阻害し、それによってこの防御システムを不活性化しました。[ 7 ] [ 20 ] [ 1 ] [ 21 ] [ 22 ]
侵入とPiwiの応答の歴史的な例が知られています。20世紀半ばにPエレメント トランスポゾンがショウジョウバエの ゲノムに侵入し、交配によって数十年以内に世界中の野生のショウジョウバエ(生殖的に隔離された実験室系統を除く)すべてが同じPエレメントを持つようになりました。ほぼ同時に広がったPエレメントのさらなる活性の抑制は、Piwi相互作用RNA経路によって起こったようです。[ 23 ]
ゲノム中のpiRNAクラスターは、バイオインフォマティクス 手法によって容易に検出できるようになった。[ 24 ] D. melanogaster と脊椎動物のpiRNAはタンパク質コード遺伝子 のない領域に位置しているが、[ 11 ] [ 20 ] C. elegans のpiRNAはタンパク質コード遺伝子の中に存在することが確認されている。[ 13 ]
哺乳類では、piRNAは精巣 [ 25 ] と卵巣 [ 26 ] の両方で見られますが、男性でのみ必要とされるようです[ 4 ] 。無脊椎動物では、piRNAは雄と雌の両方の生殖細胞系列 で検出されています[ 15 ] [ 19 ] 。
細胞レベルでは、piRNAは核 と細胞質の 両方で発見されており、piRNA経路がこれらの両方の領域で機能する可能性があることを示唆しており[ 11 ] 、したがって、複数の効果を持つ可能性がある[ 27 ] 。
分類 真核生物 には少なくとも 3 つの Argonaute (Ago) サブファミリーが存在することがわかっています。動物、植物、分裂酵母に存在する Ago サブファミリーとは異なり、Piwi サブファミリーは動物にのみ存在することがわかっています。[ 28 ] RasiRNA はショウジョウバエ や一部の単細胞真核生物 で観察されていますが、哺乳類での存在は確認されていません。一方、哺乳類を含む多くの無脊椎動物や脊椎動物で観察されている piRNA とは異なります。[ 29 ] ただし、rasiRNA と結合するタンパク質は脊椎動物と無脊椎動物の両方で見られるため、活性な rasiRNA が存在し、他の動物ではまだ観察されていない可能性があります。RasiRNA は、酵母の一種であるSchizosaccharomyces pombe や一部の植物で観察されていますが、いずれも Argonaute タンパク質の Piwi サブファミリーは観察されていません。[ 8 ] rasiRNAとpiRNAの両方が母系連鎖していることが観察されているが、より具体的にはPiwiタンパク質サブファミリーが母系連鎖しており、そのためrasiRNAとpiRNAが母系連鎖しているという観察結果につながっている。[ 30 ]
生合成 rasiRNAの5'末端の生合成におけるピンポン機構。 piRNA の生合成は、 考えられるメカニズムが提案されているものの、まだ完全には解明されていません。piRNA は顕著な鎖偏向を示し、つまり、DNA の 1 本の鎖のみから生成されます[ 1 ] 。これは、piRNA が長い一本鎖前駆体分子の産物であることを示唆している可能性があります[ 2 ] 。パキテン piRNA を生成するために使用される唯一の経路として、一次処理経路が示唆されています。このメカニズムでは、piRNA 前駆体が転写され、5' ウリジンを 標的とする傾向のある piRNA が生成されます[ 31 ] [ 32 ] 。また、一次 piRNA が相補的な標的を認識し、 piwi タンパク質のリクルートを引き起こす「ピンポン」メカニズムも提案されています。これにより、一次 piRNA の 5' 末端から 10ヌクレオチドの 地点で転写が切断され 、二次 piRNA が生成されます。[ 32 ] これらの二次piRNAは、10番目の位置にアデニン を持つ配列を標的としている。 [ 31 ] ピンポンサイクルに関与するpiRNAはトランスポゾン転写産物を攻撃するため、ピンポンサイクルは転写 レベルでのみ作用する。[ 22 ] これらのメカニズムの一方または両方が異なる種 で作用している可能性がある。たとえば、 C. elegansは piRNAを持っているが、ピンポンメカニズムを全く使用していないようである。[ 19 ]
ゼブラフィッシュ とショウジョウバエ で同定されたpiRNAのかなりの数が10番目の位置にアデニンを含んでおり[ 11 ] 、これは種を超えて保存された 生合成 メカニズムの証拠である可能性があると解釈されている [ 17 ] 。ピンポンシグネチャーは、海綿動物や刺胞動物などの非常に原始的な動物で同定されており、ピンポンサイクルがすでに後生動物の初期の系統に存在していたことを示している[ 33 ] 。
ピンポン piRNA Ping-Pong 経路は、ショウジョウバエ の研究で最初に提唱されました。ショウジョウバエでは、2 つの細胞質 Piwi タンパク質、Aubergine (Aub) と Argonaute-3 (Ago3) に関連する piRNA が、5' 末端で正確に 10 ヌクレオチドにわたって高い頻度で配列相補性を示しました。[ 32 ] [ 34 ] この関係は「ping-pong シグネチャー」として知られており、マウス精巣から単離された Mili および Miwi2 タンパク質に関連する piRNA でも観察されています。ショウジョウバエ またはマウスにおける Ping-Pong の提案された機能はまだ解明されていませんが、有力な仮説は、Aub と Ago3 の相互作用により、活性トランスポゾン配列を標的とするのに最も適した piRNA の循環的改良が可能になるというものです。Aub piRNA は主に転移因子転写産物に対するアンチセンスであり、相補性を介して有害な転写産物を標的とする主な要因であると考えられています。逆に、Ago3 piRNA配列は主に転移因子転写産物に対してセンス方向であり、トランスポゾンmRNAのAub切断産物から派生している。そのため、Ago3 piRNAは転移因子転写産物を直接標的とする能力を欠いている。したがって、Ago3 piRNAは新たに輸出されたpiRNAクラスター転写産物を標的とすることで、AubにロードされるpiRNAの産生を誘導すると提唱された。Ago3がAub piRNAの産生に及ぼす影響を支持する証拠はいくつかあり、特にAgo3とTudorドメインタンパク質Kumo/Qinに変異を持つショウジョウバエ 卵巣のpiRNAレパートリーを調べた結果などが挙げられる。[ 35 ] [ 36 ]
ピンポンを支える分子メカニズムには、piRNA経路に関連する複数の因子が関与していると考えられる。Qinは 、AubおよびAgo3の両方と相互作用することに加えて、Ago3へのpiRNAのロードを調整することが報告されている。[ 36 ] しかし、Tudorタンパク質 krimper (A1ZAC4 )も、Tudorドメインを介してAubおよびAgo3の両方と相互作用し、N末端Krimperドメインを介して自身も結合することが示されている。[ 37 ] 具体的には、KrimperはpiRNA非ロード状態のAgo3と相互作用するが、Aubとの相互作用はAubのN末端領域のアルギニン残基の対称ジメチル化に依存する。[ 37 ] [ 38 ] カイコの生殖細胞では、Vasa タンパク質がカイコAub(Siwi)とAgo3のピンポンメカニズムを調整することが提案されている。[ 39 ]
ピンポン現象のメカニズムは主にクリンパーによって調整されていると考えられるが、雲/秦やヴァーサなどの要素も、他の要素に加えて、ピンポン現象のメカニズムにおいて必要な機能を果たしている。
piRNAフェージング ショウジョウバエの piRNA経路は、2つの分岐に分けられます。1つは、Ping-Pongメカニズムを実行するAubとAgo3からなる細胞質分岐、もう1つは、核内のPiwiによるゲノム領域の共転写サイレンシングに関連する核分岐です。相補的な戦略により、2つの研究は、AubとAgo3の標的切断がpiRNAのPiwiへの「段階的」ロードを引き起こすことを示しています。[ 40 ] [ 41 ] フェージングは、「応答」piRNAに関連するAubまたはAgo3のいずれかによる相補的標的の標的化と切断から始まります。切断された標的転写産物は、ミトコンドリア関連エンドヌクレアーゼZucchiniを必要とすると考えられるメカニズムによってさらに処理され、標的転写産物の連続した断片がPiwiタンパク質にロードされます。このようにして、AubまたはAgo3の「応答者」piRNA配列は相補的な標的を切断し、その後、約27ヌクレオチドの周期的な間隔で切断され、Piwiタンパク質に順次ロードされます。piRNAがロードされると、Piwiは生殖細胞の核に入り、piRNAガイドと相補的な新生転写産物を共転写的にサイレンシングします。[ 42 ] 他の生物でフェージングが起こるかどうかは現在不明です。
piRNA経路の補助タンパク質 生殖能力の欠陥を調べる遺伝子スクリーニングにより、Piwiクレードのアルゴノートタンパク質ではないにもかかわらず、Piwi変異体と同じ不妊表現型を引き起こす多数のタンパク質が同定された。
ショウジョウバエの チューダードメインタンパク質ショウジョウバエ のpiRNA経路に必要な多くの因子は、 Piwiタンパク質のメチル化モチーフに存在する対称ジメチル化アルギニン残基(sDMA)に結合することが知られているTudorドメインを 含んでいます。Piwiタンパク質は、Valois(MEP50)とCapsulèen(dart5; PRMT5)からなるPRMT5メチロソーム複合体によって対称ジメチル化されます。[ 52 ] [ 53 ]
チューダー(タッド) 秦/雲 スピンドルE(SpnE) クリンパー テジャス(テジ) ヴレテノ(ヴレット) パピ Yb ( fs(1)Yb ) Ybの兄弟(BoYB) Ybの妹(SoYB)
非チューダーショウジョウバエ piRNA経路タンパク質
ショウジョウバエの 核内piRNA経路タンパク質サイ(HP1D) 行き詰まり 切り落とす SetDB1 (卵なし) SuVar3–9
調査 piRNA の研究は、 Solexa、454、 Illumina プラットフォーム シーケンシングなどの次世代シーケンシング 技術の使用により大きく進歩しました。これらの技術により、piRNA のような非常に複雑で不均一な RNA 集団の分析が可能になります。小さな RNA はサイズが小さいため、その発現と増幅は困難な場合があり、この困難に対応するために特殊なPCR ベースの方法が開発されました。[ 54 ] [ 55 ] しかし、研究により、注釈付き piRNA の多くが偽陽性である可能性があることも明らかになりました。たとえば、生殖腺以外の体細胞組織で発現した piRNA の大部分は、非コード RNA 断片に由来すると考えられています。[ 56 ]
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外部リンク PingPongPro – ピンポンのシグネチャとピンポンサイクル活動を検出するソフトウェア piRNAバンク– 分類およびクラスタリングされたpiRNAに関するウェブリソース proTRAC – 確率的piRNAクラスターの検出、可視化、および解析のためのソフトウェア piRNAクラスター – データベース(2014年10月11日にWayback Machine に アーカイブ済み)