专家点评EMBO J | 蝾螈揭示哺乳动物piRNA通路的起源|pirna|介导|哺乳动物|座子|生殖细胞|细胞质

点评 | 刘默芳（中科院分子细胞科学卓越创新中心）

在动物生殖细胞（如精子和卵子）形成过程中，活跃的转座子（ transposons ）始终是一大 “ 隐患 ” 。转座子作为基因组中数量庞大的一类可移动 DNA 元件，能够通过“跳跃”插入新的基因组位置，从而破坏基因、造成 DNA 双链断裂，进而干扰生殖细胞发育并导致物种不育。为了有效抵御此风险，很多动物的生殖细胞演化出一套高度特异的防御机制—— piRNA 通路【1,2】。 piRNA 通路通过靶向并沉默活跃的转座子，是维持生殖细胞基因组完整性的核心防御体系。

piRNA （ PIWI-interacting RNA ）是一类小分子非编码 RNA ，通过与 PIWI 蛋白结合形成复合物，在动物生殖细胞中沉默转座子。 piRNA 通路分为细胞质通路和细胞核通路两类。其中，细胞质 piRNA 通路在绝大多数动物中广泛存在【3】，用于切割并清除转座子转录本。而长期以来，细胞核 piRNA 通路，即 piRNA介导的转座子DNA甲基化沉默，一直被认为是哺乳动物特有的机制【1,2】。

近日，爱丁堡大学 Donal O’Carroll 院士团队在 EMBO Journal 上发表了题为

A mammalian-like piRNA pathway in Axolotl reveals the origins of piRNA-directed DNA methylation

的文章。该研究利用墨西哥钝口螈（axolotl）作为研究对象，首次揭示了哺乳动物细胞核 piRNA 通路的演化起源。

墨西哥钝口螈因其出色的组织修复能力，成为经典的再生生物学模式动物。除再生特性外，其基因组也非常特殊，是现存动物中最大的基因组之一（～3 2 Gb，约人类的 10 倍）【4】。这一庞大的基因组很大程度上由转座子的扩张引起，钝口螈基因组约70%由转座子构成，而人类约50%。如此高的转座子负担与大基因组规模，使墨西哥钝口螈成为研究转座子活动与沉默机制的理想模型。

（ 1 ）墨西哥钝口螈具有类似哺乳动物的piRNA通路

首先，为追溯哺乳动物piRNA通路的演化起源，作者构建了piRNA通路相关基因在脊椎动物中的系统发育树。结果显示，哺乳动物中关键的细胞核 piRNA 因子，包括 PIWIL4 、 SPOCD1 、 C19ORF84 、 TEX15 等，在两栖动物墨西哥钝口螈的基因组中首次完整出现，而在肉鳍鱼与辐鳍鱼中均存在一些关键因子的缺失，提示这些细胞核因子可能并未在更早期的脊椎动物类群中出现。此外，转录组数据显示，这些piRNA通路相关基因在墨西哥钝口螈中呈生殖系统特异性表达，高度类似哺乳动物表达模式，进一步暗示其潜在功能。

值得注意的是，在四足动物（ tetrapods ）中，哺乳类、爬行类和蝾螈完整保留了细胞核piRNA通路，而鸟类和蛙类普遍缺失该通路。作者推测这一差异可能与其原始生殖细胞（ primordial germ cells ，PGCs）的形成方式以及是否经历表观遗传重编程相关。哺乳类、爬行类和蝾螈使用后成机制（ep igenesis ），其原始生殖细胞由体细胞受外源信号诱导而来，可能伴随表观遗传重编程，使原本被沉默的转座子有机会重新活化，为基因组带来风险。因此，这些物种更有必要保留功能性细胞核 piRNA 通路，以维持对转座子的表观遗传沉默，保障生殖系基因组的稳定性。而鸟类和蛙类采用预成机制（p reformation ），通过母体卵细胞中预先存储的分子（即种质， germ plasm ）直接指定形成生殖细胞谱系，在代际间保持更高的稳定性与连续性，细胞核 piRNA 通路从而不是必需，可能在演化中丢失。

（ 2 ）墨西哥钝口螈存在功能性的细胞质 piRNA 通路

为更好地理解钝口螈中的转座子活动与沉默机制，作者首次预测注释了墨西哥钝口螈中的活跃转座子，鉴定出一批以年轻 LTR 与 DNA 转座子为主的有潜在转座活性的转座子。随后，团队通过小 RNA 测序，分析显示钝口螈雄性与雌性生殖系统均存在丰富的 piRNA （超过 8800 万种），且大量源于转座子序列。

细胞质 piRNA 通路主要包括 p iRNA 的生成及经典的乒乓循环（ ping-pong cycle ）介导的转录后沉默，靶向切割并降解转座子的转录本。piRNA主要从基因组中的 piRNA 簇（ piRNA clusters ）产生，且在钝口螈中呈现明显的性别特异性 piRNA 簇分布，提示其具有性别特异性的piRNA生成位点。更关键的是，靶向转座子的piRNA具备典型的乒乓循环特征，即（i）两条配对的piRNA间1 0 个核苷酸的互补重叠，（ ii ） 1U/10A 偏好性。综上，piRNA簇与乒乓循环共同证明墨西哥钝口螈生殖系统中存在功能性的细胞质piRNA通路。

（ 3 ）墨西哥钝口螈中细胞核 piRNA 通路存在的证据

对于细胞核 piRNA通路，piRNA介导的DNA甲基化沉默机制过去除哺乳动物外几乎未有报道。其主要由piRNA-PIWIL 4 复合物及相关细胞核因子发挥功能，通过招募DNA从头甲基化酶（如小鼠中为DNMT 3 C/L），特异性从头甲基化沉默年轻、活跃转座子的启动子，是维持转座子长期稳定抑制的关键机制（详见BioArt报道：）。在生殖细胞表观遗传重编程过程中，基因组经历大规模去甲基化，原本沉默的年轻转座子具有重新活化的风险，因此细胞核 piRNA 通路在此阶段尤为重要。其最终结果体现为精子中年轻转座子的高度DNA甲基化。

通过对墨西哥钝口螈精子样本的全基因组甲基化测序，作者发现其整体 CpG 甲基化水平约为 90% ，显著高于哺乳动物（约 75%–85% ）。更重要的是，钝口螈精子中整个转座子区域，包括其启动子，整体呈高度甲基化状态。尤其对于有潜在转座活性的年轻转座子，其甲基化水平显著更高。由此，这些结果首次支持，除哺乳动物外，在墨西哥钝口螈中同样存在转座子的DNA甲基化沉默。

此外，作者还对墨西哥钝口螈基因组中的CpG岛（ CpG islands ）进行了系统鉴定。与哺乳动物中主要位于基因启动子并通常保持非甲基化状态的 CpG 岛不同，钝口螈的CpG岛普遍呈高度甲基化，且与转座子区域显著重叠，提示钝口螈中另一潜在的转座子沉默机制。

总体而言，本研究在墨西哥钝口螈中鉴定出完整且高度相似于哺乳动物的piRNA通路。小RNA测序和全基因组甲基化测序的结果共同表明，墨西哥钝口螈不仅具备功能性的细胞质piRNA通路用于清除转座子转录本，还拥有细胞核piRNA通路，通过DNA甲基化实现对转座子的长期稳定沉默。研究首次明确指出，哺乳动物的 piRNA 通路，即 piRNA 介导的转座子 DNA 甲基化沉默机制，其起源可追溯至蝾螈与哺乳动物的共同祖先，即四足动物时期。该发现不仅填补了 piRNA 通路演化史上的关键空白，也为理解生殖细胞发育、表观遗传重编程以及基因组防御机制提供了全新的演化视角。

浙江大学-爱丁堡大学联合学院双学位联合培养博士生相欣雨为本文第一作者，浙江大学-爱丁堡大学联合学院双学位联合培养本科生高安妮为本文第二作者。爱丁堡大学 Donal O’Carroll 院士为通讯作者。浙江大学刘琬璐教授及奥地利维也纳生物中心 Elly M Tanaka 院士团队为重要合作单位，对本研究作出了突出贡献。

专家点评

刘默芳（中科院分子细胞科学卓越创新中心 / 生化细胞所研究员）

在动物生殖细胞发育过程中，转座子的异常激活对基因组稳定性和完整性构成严峻威胁，将导致生殖障碍与不育。因此，在漫长的演化中生殖细胞获得了一系列高度特化的防御机制，其中最核心的便是 piRNA 通路。一方面，细胞核 piRNA 通路通过 piRNA 介导的从头D NA 甲基化，对年轻、活跃的转座子进行长期稳定的表观遗传沉默，是维持生殖细胞基因组稳定性的重要屏障；另一方面，细胞质piRNA通路切割降解转座子转录本，在转录后水平抑制转座子。过去的研究中，细胞核 piRNA 通路几乎仅在哺乳动物中得到明确验证，被视为哺乳类特有的重要转座子沉默机制。然而，细胞核 piRNA 通路的真正演化起点一直是领域中的重大开放问题。

O’Carroll 团队以墨西哥钝口螈为模型，首次将哺乳动物细胞核 piRNA 通路的起源追溯至四足动物共同祖先，揭示了 piRNA 通路演化过程的一个关键节点。该研究通过系统发育分析、活跃转座子注释、小 RNA 以及全基因组甲基化测序分析，清晰证明钝口螈不仅具备典型的细胞质 piRNA 通路，还拥有与哺乳动物高度相似的细胞核 piRNA 通路。这一发现补全了 piRNA 通路长期悬而未解的“演化空白”，具有重要意义。

更具概念性突破的是，该研究首次提出生殖细胞形成方式（预成或后成）与细胞核 piRNA 通路的缺失或保留之间存在关联。这不仅解释了不同脊椎动物类群在转座子沉默策略上的差异，也为理解生殖细胞发育调控的深层演化逻辑提供了新的理论框架。

作为水生向陆生过渡时期的重要两栖类代表物种，墨西哥钝口螈处于适应陆生环境压力的关键演化节点。该研究不仅揭示了其在巨大基因组下维持生殖细胞基因组稳定性的核心分子机制，还为理解陆生化过程中生殖细胞如何抑制转座子再活化、塑造基因组规模提供了关键线索。同时，该研究建立的演化机制框架具有重要的前瞻性价值，不仅为解析大型基因组物种的转座子调控机制提供了范式，也为未来从“基因组防御-生殖稳定性-环境适应”三者之间的协同演化关系研究奠定了理论基础。

https://www.embopress.org/doi/full/10.1038/s44318-025-00631-w

制版人：十一

参考文献

1. Wang X, Ramat A, Simonelig M, and Liu M-F, Emerging roles and functional mechanisms of PIWI-interacting RNAs,Nat Rev Mol Cell Biol, 2023 24 123-141

2. Ozata DM, Gainetdinov I, Zoch A, O’Carroll D, and Zamore PD, PIWI-interacting RNAs: small RNAs with big functions,Nat Rev Genet,2019 20 89-108

3. Grimson A, Srivastava M, Fahey B, Woodcroft BJ, Chiang HR, King N, Degnan BM, Rokhsar DS, and Bartel DP, Early origins and evolution of microRNAs and Piwi-interacting RNAs in animals,Nature, 2008 455 1193-1197

4. Nowoshilow S, Schloissnig S, Fei J-F, Dahl A, Pang AWC, Pippel M, Winkler S, Hastie AR, Young G, Roscito JG, et al., The axolotl genome and the evolution of key tissue formation regulators,Nature, 2018 554 50-55

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（*排名不分先后）