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11.10:

piRNA - Piwi-interacting RNAs

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piRNA – Piwi-interacting RNAs

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Gli elementi di DNA trasponibili, o transposoni, mostrano un movimento casuale attraverso il genoma. Queste inserzioni che disgregano un gene, possono provocare un’instabilità genomica, che è pericolosa per una cellula. Nelle cellule somatiche, l’instabilità genomica indotta da transposone rimane limitata ad una singola generazione;tuttavia, nelle cellule germinali, questi cambiamenti possono essere trasmessi alle generazioni future portando ad effetti nocivi.Elementi trasponibili specifici delle cellule batteriche, sono silenziati da piccoli RNA regolatori non codificanti noti come Piwi RNA interattivo, o piRNA. I piRNA sono essenziali per un corretto sviluppo delle cellule germinali, e la loro assenza può causare infertilità negli animali. I piRNA sono una classe di RNA di silenziamento che differiscono da miRNA e siRNA per tre caratteristiche di definizione-lunghezza, meccanismo di elaborazione e lagami con proteine della subfamiglia argonauta.piRNA ha una lunghezza compresa tra 24 e 32 nucleotidi, ed é più lunga rispetto a miRNA e a siRNA, che misurano solitamente da 20 fino a 25 nucleotidi. piRNA è processata da mRNA a filamento singolo senza dicer;mentre sia miRNA che siRNA, sono processati da RNA a doppio filamento tramite dicer. Ciascuno di questi tre tipi di RNA non codificante si lega alle proteine della famiglia dell’argonauta;mentre Pirna si lega alla sottofamiglia Piwi, miRNA e siRNA si legano alla sottofamiglia AGO di proteine.piRNA origina da clusters piRNA-regioni specifiche del genoma che sono ricche di transposoni. Sono state proposte due fasi per la biogenesi di piRNA-il percorso di elaborazione primario e il ciclo di amplificazione. Nel percorso di elaborazione primario, le trascrizioni dei cluster piRNA, sono usate per produrre piRNA;questi ultimi, vengono caricati su proteine Piwi selezionate, per formare piRISC, una forma alternativa del complesso di silenziamento indotto da RNA.Il piRNA primario partecipa quindi ad un loop di amplificazione per aumentare rapidamente la concentrazione di piRNA;piRISC lega e scinde il bersaglio complementare RNA creando l’estremità 5-primi di un piRNA secondario prematuro. L’estremità 3-primi del piRNA è trattata ulteriormente da altre proteine Piwi per dare come risultato un piRNA maturo, secondario. uesto processo si ripete, risultando nell’amplificazione di entrambi, senso e antisenso piRNA.

11.10:

piRNA - Piwi-interacting RNAs

PIWI-interacting RNAs, or piRNAs, are the most abundant short non-coding RNAs. More than 20,000 genes have been found in humans that code for piRNAs while only 2000 genes have been found for miRNAs. piRNAs can act at the transcriptional and post-transcriptional levels and have a vital role in silencing transposable elements present in germ cells. They are also involved in epigenetic silencing and activation. Previously, they were thought to function only in germ cells but new evidence suggests that they are also present in relatively low numbers in somatic cells and actively control their gene expression.

piRNAs are named because of their association with PIWI proteins, a subfamily of the Argonaute class of proteins. This complex is called the piRNA induced silencing complex (piRISC). In Drosophila, there are three types of PIWI proteins– Piwi, Aubergine, and AGO3, and each of these proteins bind different length piRNAs. The PIWI proteins have also been observed in mammals and in mice, called Miwi, Mili, and Miwi2.

piRNAs are transcribed from piRNA clusters, specific regions of the genome. The resulting transcripts are transported to the cytoplasm, and the piRNA transcripts are cleaved into short fragments. These short transcripts are then loaded onto Piwi or Aubergine proteins and further processed at the 3' end by an unknown mechanism to generate mature primary piRNAs. Piwi-piRNA complexes are transported back to the nucleus to silence transposons. In contrast, Aubergine-piRNA complexes participate in the second phase of piRNA biogenesis, known as the ping-pong amplification pathway.

The Aubergine-piRNA complex binds and cleaves complementary transcripts, and the resulting cleaved fragments are then loaded onto another PIWI protein, AGO3. The AGO3-piRNA complex is then processed further at 3' end to generate mature secondary piRNAs. Like the Aubergine-piRNA complex, the mature AGO3-piRNA can cleave complementary transcripts. Another class of proteins, the Tudor family, also participates in the ping-pong amplification pathway where they may act as a scaffold for the binding of the components required for secondary piRNA biogenesis. In Drosophila, a dense peri-nuclear body, known as Nuage, contains proteins required for the piRNA ping-pong amplification pathway biogenesis, including  Aubergine, AGO3, and Tudor. The exact steps and proteins involved in primary and secondary piRNA biogenesis pathways are still under investigation.

Suggested Reading

  1. Ishizu, Hirotsugu, Haruhiko Siomi, and Mikiko C. Siomi. "Biology of PIWI-interacting RNAs: new insights into biogenesis and function inside and outside of germlines." Genes & Development 26, no. 21 (2012): 2361-2373.
  2. Weick, Eva-Maria, and Eric A. Miska. "piRNAs: from biogenesis to function." Development 141, no. 18 (2014): 3458-3471.
  3. Ku, Hsueh-Yen, and Haifan Lin. "PIWI proteins and their interactors in piRNA biogenesis, germline development and gene expression." National Science Review 1, no. 2 (2014): 205-218.
  4. Han, Bo W., and Phillip D. Zamore. "PiRNAs." Current Biology 24, no. 16 (2014): R730-R733.
  5. Ng, Kevin W., Christine Anderson, Erin A. Marshall, Brenda C. Minatel, Katey SS Enfield, Heather L. Saprunoff, Wan L. Lam, and Victor D. Martinez. "Piwi-interacting RNAs in cancer: emerging functions and clinical utility." Molecular Cancer 15, no. 1 (2016): 5.