3月15日，国科大杭州高等研究院（以下简称杭高院）生命与健康科学学院（以下简称生命学院）/中科院分子细胞科学卓越创新中心刘默芳研究员、同济大学丁德强教授和杭高院生命学院王鑫副研究员共同通讯在Nature Communications在线发表题为 “piRNA loading triggers MIWI translocation from the intermitochondrial cement to chromatoid body during mouse spermatogenesis”的研究论文。该研究发现MIWI结合piRNA可以促进其在小鼠生精细胞生殖颗粒（Germ granules）中的转运，转运异常导致小鼠雄性不育。
Nature Communications是Nature出版社旗下的开放获取期刊，聚焦特定学科或领域具有原创性和科学影响力的工作，2023年影响因子16.6。
生殖颗粒是存在于动物生殖细胞胞质中的无膜细胞器，对RNA生成和代谢过程至关重要。线粒体簇间的Intermitochondrial cement（IMC）和细胞核周的Chromatoid body（CB）是领域内研究最多的两种生殖颗粒。piRNA（PIWI interacting RNA）与PIWI蛋白结合形成PIWI/piRNA复合物来执行其生物学功能，在动物生殖系细胞中主要发挥抑制转座子和调控编码基因的功能，为动物配子发生所必需。此外，在精子发生过程中，还存在着一类非常重要的Tudor家族蛋白，可以结合PIWI蛋白N端的精氨酸甲基化修饰位点，参与piRNA的生成。在小鼠中，PIWI蛋白包括MIWI、MILI和MIWI2，它们特异性地在雄性生殖细胞中呈现严格的时序性表达。MIWI在初级精母细胞阶段开始表达后，主要定位在IMC中参与piRNA加工生成。随后，在球形精子细胞中富集定位于CB中，执行PIWI/piRNA复合体的生物学功能。但是，MIWI在雄性生殖细胞中从IMC转移到CB的机制仍是piRNA领域尚未解决的问题。
由于MIWI结合了piRNA后才从IMC转运至CB，所以本文研究人员推测piRNA可能在MIWI的转运中发挥重要功能。为了验证这个猜测，研究人员分别构建了两种MIWI蛋白结合piRNA缺陷的小鼠（MiwiYY/YY 和 MiwiYK/YK）。在MiwiYY/YY 和 MiwiYK/YK小鼠中，结合piRNA缺陷的MIWI被滞留在IMC中。先前的研究表明， MIWI在初级精母细胞阶段表达后，会与线粒体锚定的Tudor家族蛋白TDRKH结合，从而被招募到IMC中。而研究人员探究发现，随着piRNA在IMC加工成熟，MIWI结合piRNA后，可以促进MIWI与TDRKH解离，从而允许MIWI从IMC离开。
那么MIWI离开IMC后又是如何进入CB的？研究人员进一步探究发现，MIWI与TDRKH解离会暴露其N端的精氨酸残基，经PRMT5（蛋白精氨酸甲基转移酶）甲基化修饰后，被另一CB定位的Tudor家族蛋白TDRD6识别结合，最终被招募到CB中执行MIWI/piRNA的生物学功能。更进一步，研究人员发现MIWI转运缺陷会导致MIWI蛋白降解，piRNA生成异常，最终导致小鼠雄性不育。
基于以上研究结果，作者提出了MIWI蛋白转运的工作模型：MIWI在粗线期中期的精母细胞中表达，其未甲基化的N端与TDRKH互作而被招募到IMC中参与piRNA的加工。而随着piRNA加工成熟，会诱导MIWI的构象发生变化，进而减弱其与TDRKH的相互作用，导致其从IMC释放。从IMC释放的MIWI暴露其N端的精氨酸残基，经PRMT5甲基化以后，会增强MIWI与TDRD6的相互作用从而被TDRD6招募到CB中。
本文的研究揭示了piRNA结合MIWI是如何指导MIWI从IMC转移到CB的精细过程，并且证明了该机制在精子发生中的生物学功能，为男性不育症的检测和治疗提供了理论依据和潜在的靶点。
杭高院为第一完成单位。杭高院生命学院博士研究生魏欢，同济大学博士研究生高洁，中科院分子细胞科学卓越创新中心林迪航博士以及同济大学耿睿嵘硕士为该论文共同第一作者。刘默芳研究员、丁德强教授以及王鑫副研究员为该论文的共同通讯作者。该项工作还得到了中科院分子细胞科学卓越创新中心李劲松研究员和美国密歇根州立大学的Chen Chen教授的大力支持和帮助。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、浙江省自然科学基金和杭高院青苗计划等项目的支持。
原文链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-024-46664-3
