近日，我所分子反应动力学国家重点实验室分子模拟与设计研究组（1106组）李国辉研究员团队与中国科学院分子细胞科学卓越创新中心（上海生物化学与细胞生物学研究所）刘默芳研究员团队、上海科技大学刘如娟教授团队等合作，揭示了piRNA长度调控机制，并发现其调控异常会导致男性不育。
miRNA、siRNA和piRNA等小RNA与Argonaute家族蛋白形成调控复合物，在表观遗传、转录及转录后等水平发挥基因表达调控作用。Argonaute家族分为AGO亚家族和PIWI亚家族，其中AGO成员结合的miRNA或siRNA长度远低于PIWI蛋白所能结合的piRNA。然而，PIWI蛋白为何能结合更长的小RNA以及piRNA长度是否为PIWI/piRNA功能必需均是领域未解之谜。
本工作中，实验合作团队在男性不育症患者中发现了PIWIL1基因新遗传突变（R370W），该突变位于PIWI蛋白上功能未知的PIWI-Ins元件中，但不存在于AGO亚家族蛋白。进一步的生化实验发现PIWI-Ins元件突变会导致小鼠PIWIL1（MIWI）结合的piRNA长度变短，表明PIWI-Ins元件有助于PIWI家族蛋白结合更长的小RNA。同时，雄性小鼠体内变短的piRNA会损伤其翻译激活能力，引起精子发生阻滞，显示该突变为男性不育致病性突变。
为了揭示PIWI-Ins元件决定piRNA长度的结构基础，李国辉团队进行了PIWI/piRNA复合物结构建模，并通过系统的分子动力学模拟研究，发现PIWI-Ins元件在所有的PIWI家族蛋白成员中具有序列和结构保守性，均处于piRNA结合通道的一侧。PIWI-Ins元件的长度和电荷状态均可以影响piRNA结合通道的大小，赋予不同PIWI蛋白对于piRNA长度选择的差异；当PIWI-Ins元件缺失或突变，piRNA结合通道变短，从而导致最终加工产生的piRNA长度缩短。除了小鼠MIWI之外，PIWI-Ins元件对于piRNA长度的调控作用也广泛存在于MILI、MIWI2和HIWI3等其它PIWI家族蛋白成员中，且理论预测的关键氨基酸位点均得到交联质谱实验验证。该工作阐明了PIWI-Ins元件调控piRNA长度的分子机制，为男性不育等疾病药物研发提供了潜在的靶点。
相关成果以“The PIWI-specific Insertion Module Helps Load Longer piRNAs for Translational Activation Essential for Male Fertility”为题，于近日发表在《中国科学：生命科学》（Science China Life Sciences）上，并被选为封面文章和研究亮点（Research Highlight）。我所1106组王安辉博士为该工作的共同第一作者。上述工作得到国家自然科学基金、中科院B类先导专项“生物大分子复合体结构与功能的跨尺度研究”等项目的支持。（文/图 王安辉、李国辉）
