黄旲研究组揭示果蝇piRNA通路中Papi蛋白序列特异性识别Piwi蛋白在piRNA 3’端修剪过程中发挥生物学功能的分子机制

        3月12日，中国科学院生物化学与细胞生物学研究所黄旲研究组在国际学术期刊PNAS上在线发表了题为“Structural insights into the sequence-specific recognition of Piwi by Drosophila Papi”的论文，该研究揭示了果蝇piRNA通路Papi蛋白序列特异性识别Piwi蛋白并参与piRNA 3’端修剪的分子机制。

 

        piRNA是一类长度约为24-30 nt的小RNA，在机体中起到保护宿主细胞基因组完整性的功能。成熟piRNA生成和加工过程包括前体生成、中间产物加工以及piRNA 3’端修剪和甲基化修饰，最终形成成熟piRNA。piRNA 3’端的加工需要Papi (Tdrkh) 蛋白的参与。之前认为Papi蛋白作为支架蛋白能够一方面通过其eTudor (eTud) 结构域识别Piwi蛋白N端 (G/A)R重复序列中的精氨酸对称双甲基化修饰(sDMA修饰) 从而招募Piwi蛋白，另一方面招募piRNA 3’端Trimmer从而形成piRNA 3’端修剪复合物。但是Papi通过eTudor结构域识别Piwi N端的模型缺少结构基础。过去的研究中还发现，果蝇中敲除Papi蛋白时能够特异性影响Piwi蛋白结合piRNA的长度，而Ago3和Aub蛋白结合的piRNA长度却不受影响。然而对于Papi蛋白敲除特异性影响Piwi蛋白结合piRNA长度这一现象缺少分子机制的解释。

 

        在本项工作中，研究人员首先精确确定了果蝇Papi蛋白通过其eTud结构域和Piwi蛋白N端相互作用的区段，并对Papi-eTud单体结构、其与Piwi-Ν-R10me2s多肽(第10位精氨酸sDMA修饰)复合物以及其与未甲基化Piwi-N多肽复合物分别进行晶体结构解析。结构揭示了Papi-eTud通过与Piwi N端的“RGRRR”motif进行相互作用，这一motif不同与之前报道其他PIWI蛋白中的(G/A)R重复序列，特异存在于果蝇Piwi蛋白中，并在不同亚种属的果蝇Piwi蛋白中保守存在；该motif的序列特异性同时也决定了Papi-Piwi蛋白相互作用的特异性。同时果蝇体内实验证明，破坏Papi蛋白中与Piwi相互作用重要氨基酸残基时导致果蝇生殖缺陷和转座子去抑制。研究人员通过结构生物学，结合co-IP、质谱等体外生化实验及果蝇体内实验，证明了果蝇体内Papi和Piwi相互作用的特异性，为解释Papi如何招募Piwi从而参与piRNA 3’修剪过程并特异性影响Piwi结合piRNA长度的现象提供了分子机制，同时也扩展了人们对于Tudor结构域底物序列特点和结合方式的认识。

 

        张玉涵是本文的第一作者。该工作得到中科院生化与细胞所吴立刚研究员、中科院生物物理所俞洋研究员和复旦大学麻锦彪教授的大力支持。同时感谢生化与细胞所果蝇资源与技术平台、规模化蛋白质制备系统和质谱分析系统在实验过程中提供的帮助。感谢国家蛋白质科学研究设施（上海）线站工作人员在晶体衍射数据收集中给予的支持与帮助。该研究得到了国家自然科学基金、中科院先导专项和中科院重大科技基础设施开放研究项目的支持。