11.10: piRNA - RNA oddziałujące z białkiem Piwi

RNA oddziałujące z PIWI, czyli piRNA, to najpowszechniej występujące krótkie, niekodujące RNA. U ludzi odkryto ponad 20 000 genów kodujących piRNA, podczas gdy tylko 2000 genów miRNA. piRNA mogą działać na poziomie transkrypcyjnym i potranskrypcyjnym i odgrywają istotną rolę w wyciszaniu elementów transpozycyjnych obecnych w komórkach rozrodczych. Są także zaangażowani w wyciszanie i aktywację epigenetyczną. Wcześniej sądzono, że działają tylko w komórkach rozrodczych, ale nowe dowody sugerują, że są one również obecne w stosunkowo niewielkiej liczbie w komórkach somatycznych i aktywnie kontrolują ekspresję ich genów.

Nazwa piRNA wynika z ich związku z białkami PIWI, podrodziną klasy białek Argonaut. Kompleks ten nazywany jest kompleksem wyciszającym indukowanym piRNA (piRISC). U Drosophila istnieją trzy typy białek PIWI – Piwi, Aubergine i AGO3, a każde z tych białek wiąże piRNA o różnej długości. Białka PIWI obserwowano także u ssaków i myszy, zwanych Miwi, Mili i Miwi2.

piRNA są transkrybowane z klastrów piRNA, specyficznych regionów genomu. Powstałe transkrypty są transportowane do cytoplazmy, a transkrypty piRNA są cięte na krótkie fragmenty. Te krótkie transkrypty są następnie ładowane na białka Piwi lub Aubergine i dalej przetwarzane na końcu 3' według nieznanego mechanizmu w celu wytworzenia dojrzałych pierwotnych piRNA. Kompleksy Piwi-piRNA są transportowane z powrotem do jądra w celu wyciszenia transpozonów. Natomiast kompleksy bakłażana-piRNA uczestniczą w drugiej fazie biogenezy piRNA, znanej jako szlak amplifikacji ping-ponga.

Kompleks bakłażana-piRNA wiąże i rozszczepia komplementarne transkrypty, a powstałe rozszczepione fragmenty są następnie ładowane na inne białko PIWI, AGO3. Kompleks AGO3-piRNA jest następnie poddawany dalszej obróbce na końcu 3' w celu wytworzenia dojrzałych wtórnych piRNA. Podobnie jak kompleks piRNA oberżyny, dojrzały AGO3-piRNA może rozszczepiać komplementarne transkrypty. Inna klasa białek, rodzina Tudorów, również uczestniczy w szlaku amplifikacji ping-ponga, gdzie mogą działać jako rusztowanie dla wiązania składników wymaganych do wtórnej biogenezy piRNA. U Drosophila gęste ciało okołojądrowe, znane jako Nuage, zawiera białka wymagane do biogenezy szlaku amplifikacji piRNA do ping-ponga, w tym bakłażan, AGO3 i Tudor. Dokładne etapy i białka zaangażowane w pierwotne i wtórne szlaki biogenezy piRNA są nadal badane.

Transpozycyjne elementy DNA, czyli transpozony, wykazują losowy ruch w całym genomie. Te insercje, które zakłócają gen, mogą powodować niestabilność genomu, co jest niebezpieczne dla komórki.

W komórkach somatycznych niestabilność genomowa wywołana transpozonami pozostaje ograniczona do jednego pokolenia, jednak w komórkach rozrodczych zmiany te mogą być przekazywane przyszłym pokoleniom, prowadząc do szkodliwych skutków.

Specyficzne dla komórek rozrodczych elementy transpozycyjne są wyciszane przez małe niekodujące regulatorowe RNA, znane jako RNA oddziałujące z piwi lub piRNA.

piRNA są niezbędne do prawidłowego rozwoju komórek rozrodczych, a ich brak może powodować bezpłodność u zwierząt.

piRNA to klasa wyciszających RNA, które różnią się od miRNA i siRNA trzema cechami definiującymi: długością, mechanizmem przetwarzania i wiązaniem z białkami podrodziny Argonaute.

piRNA ma długość od 24 do 32 nukleotydów, dłuższą niż zarówno miRNA, jak i siRNA, które zwykle mają długość od 20 do 25 nukleotydów.

piRNA jest przetwarzane z jednoniciowego mRNA bez Dicer, podczas gdy zarówno miRNA, jak i siRNA są przetwarzane z dwuniciowego RNA przez Dicer.

Każdy z tych trzech typów niekodującego RNA wiąże się z białkami z rodziny Argonaute, ale piRNA wiąże się z podrodziną piwi, podczas gdy miRNA i siRNA wiążą się z podrodziną białek AGO.

piRNA pochodzi z klastrów piRNA, określonych regionów genomu, które są bogate w transpozony.

Zaproponowano dwie fazy biogenezy piRNA: pierwotny szlak przetwarzania i pętlę amplifikacji.

W pierwotnym szlaku przetwarzania transkrypty z klastrów piRNA są wykorzystywane do produkcji piRNA. Są one ładowane do wybranych białek piwi w celu utworzenia piRISC, alternatywnej formy kompleksu wyciszającego indukowanego RNA.

Pierwotne piRNA bierze następnie udział w pętli amplifikacji, aby szybko zwiększyć stężenie piRNA.

piRISC wiąże i rozszczepia komplementarny docelowy RNA, tworząc koniec 5' przedwczesnego wtórnego pi-RNA. Koniec 3' pi-RNA jest dalej przetwarzany przez inne białka piwi, w wyniku czego powstaje dojrzałe wtórne pi-RNA.

Proces ten powtarza się, powodując amplifikację zarówno sensownego, jak i antysensownego piRNA.