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近日，中国科学院大连化学物理研究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。

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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）。中国科学院大连化学物理研究所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、中国科学院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）

文章链接：https://doi.org/10.1007/s11427-023-2390-5

同期研究亮点链接：https://doi.org/10.1007/s11427-023-2402-x