11.10
RNAs עם אינטראקציה עם PIWI, או piRNAs, הם ה-RNA הקצרים הלא-מקודדים הנפוצים ביותר. יותר מ-20,000 גנים נמצאו בבני אדם המקודדים עבור piRNAs בעוד שרק 2000…
רכיבי דנ"א ניתנים לטרנספוזון, או טרנספוזונים, מראים תנועה אקראית ברחבי הגנום. החדרות אלה המשבשות גן עלולות לגרום לחוסר יציבות גנומית, המסוכנת לתא.
בתאים סומטיים, חוסר יציבות גנומית המושרה על ידי טרנספוזון נותר מוגבל לדור יחיד; עם זאת, בתאי נבט, שינויים אלה יכולים לעבור לדורות הבאים ולהוביל להשפעות מזיקות.
אלמנטים טרנספוזביליים ספציפיים לתאי נבט מושתקים על ידי רנ"א רגולטורי קטן שאינו מקודד המכונה RNA באינטראקציה piwi או piRNA.
piRNA חיוניים להתפתחות תקינה של תאי נבט, והיעדרם עלול לגרום לאי פוריות בבעלי חיים.
piRNA הם סוג של רנ"א משתיק הנבדלים מ-miRNA ו-siRNA בשלושה מאפיינים מגדירים: אורך, מנגנון עיבוד וקשירה לחלבונים בתת-משפחת ארגונאוט.
piRNA הם 24 עד 32 נוקלאוטידים אורך, ארוך יותר הן miRNA ו siRNA אשר בדרך כלל 20 עד 25 נוקלאוטידים.
piRNA מעובד מ-mRNA חד-גדילי ללא Dicer, בעוד שגם miRNA וגם siRNA מעובדים מ-RNA דו-גדילי על ידי Dicer.
כל אחד משלושת סוגי הרנ"א הלא-מקודד נקשר לחלבונים ממשפחת הארגונאוטים, אך piRNA נקשר לתת-משפחת הפיווי, בעוד miRNA ו-siRNA נקשרים לתת-משפחת החלבונים AGO.
מקורו של piRNA בצבירי piRNA, אזורים ספציפיים בגנום העשירים בטרנספוזונים.
שני שלבים הוצעו לביוגנזה של piRNA: מסלול העיבוד הראשוני ולולאת ההגברה.
במסלול העיבוד הראשוני, התעתיקים מצברי piRNA משמשים לייצור piRNA. אלה נטענים על חלבוני פיווי נבחרים ליצירת piRISC, צורה חלופית של קומפלקס השתקה המושרה על ידי RNA.
לאחר מכן, piRNA ראשוני לוקח חלק בלולאת הגברה כדי להגדיל במהירות את ריכוז ה-piRNA.
piRISC קושר ומבקע את רנ"א המטרה המשלים, ויוצר את הקצה ה-5' של pi-RNA משני בטרם עת. הקצה ה-3' של ה-pi-RNA מעובד עוד יותר על ידי חלבוני פיווי אחרים והתוצאה היא pi-RNA משני בוגר.
תהליך זה חוזר על עצמו והתוצאה היא הגברה של piRNA חוש ואנטיסנס.
View the full transcript and gain access to JoVE Core videos
Q1: How do piRNAs differ from miRNAs and siRNAs?
piRNAs are 24 to 32 nucleotides long, compared to miRNAs and siRNAs which are 20 to 25 nucleotides. piRNAs are processed from single-stranded RNA without Dicer, while small interfering RNAs post transcription require Dicer to process double-stranded RNA. Additionally, piRNAs bind to the piwi subfamily of Argonaute proteins, whereas miRNAs and siRNAs bind to the AGO subfamily.
Q2: What role do piRNAs play in germ cells?
piRNAs silence transposable elements in germ cells, preventing genomic instability that could be passed to future generations. Without piRNAs, transposon-induced mutations can accumulate and cause infertility in animals. piRNAs are essential for proper germ cell development and protect the germline from harmful genetic changes.
Q3: What are piRNA clusters and where do they originate?
piRNA clusters are specific genomic regions rich in transposons that serve as the source for piRNA biogenesis. Transcripts from these clusters are processed to produce piRNAs, which are then loaded onto piwi proteins to form piRISC complexes. These complexes are transported to the nucleus or cytoplasm depending on the specific piwi protein involved.
Q4: How does the ping-pong amplification pathway generate secondary piRNAs?
In the ping-pong amplification pathway, Aubergine-piRNA complexes bind and cleave complementary target RNA, creating the 5' end of a premature secondary piRNA. The resulting cleaved fragments are loaded onto AGO3 proteins, which further process the 3' end to generate mature secondary piRNAs. This cycle repeats, amplifying both sense and antisense piRNA populations.
Q5: What is the piRISC complex and how is it formed?
piRISC is the piRNA-induced silencing complex formed when primary piRNAs are loaded onto selected piwi proteins. This complex binds and cleaves complementary target RNAs to silence transposable elements. The formation of piRISC is a critical step in both the primary processing pathway and the ping-pong amplification loop.
Q6: Why are transposable elements dangerous to cells?
Transposable elements show random movement throughout the genome, and their insertions can disrupt genes, resulting in genomic instability. In somatic cells, this instability remains limited to a single generation. However, in germ cells, transposon-induced changes can be passed to future generations, leading to harmful effects that compromise cell viability and organism health.
Q7: What proteins are involved in the piRNA biogenesis pathway?
Multiple proteins participate in piRNA biogenesis, including piwi subfamily members like Piwi, Aubergine, and AGO3 in Drosophila, or Miwi, Mili, and Miwi2 in mammals. Tudor family proteins act as scaffolds in the ping-pong amplification pathway. These proteins work together to process piRNA transcripts and generate mature piRNAs that silence transposons.