ARN que interacciona con piwi

Na Galipedia, a Wikipedia en galego.

O ARN que interacciona con piwi ou ARN asociado a piwi, abreviado como piRNA (piwi-interacting RNA), é o tipo máis longo de moléculas de ARN pequeno non codificante que se expresa nas células animais e considérase unha clase de ARN interferente.[1][2] Os piRNA forman complexos ARN-proteína coas chamadas proteínas piwi, o que lles dá o seu nome. Estes complexos de piRNA foron asociados co silenciamento de xenes de retrotransposóns tanto epixenético coma post-transcricional e doutros elementos xenéticos en células da liña xerminal, particularmente as células da espermatoxénese [3]. Son diferentes dos microARN (miRNA) en tamaño (26–31 nucleótidos en vez de 21–24), ausencia de secuencias conservadas, e maior complexidade.[1][2]

Non está aínda claro como se xeran os piRNA, pero suxeríronse varios modos posibles, e é seguro que a vía da súa bioxénese é distinta da dos microARN e siRNA, entanto que os rasiRNA considéranse unha subespecie dos piRNA.[4]

Características[editar | editar a fonte]

Os piRNA foron detectados tanto en vertebrados coma en invertebrados, e aínda que a bioxénese e modos de acción varía algo entre especies, certo número de características están conservadas. Os piRNAs non teñen un motivo de estrutura secundaria claro,[1][5] a lonxitude dun piARN é, por definición, entre 26 e 31 nucleótidos, e a tendencia a ter UMP no extremo 5' é común aos piRNA de vertebrados e invertebrados. Os piRNA de Caenorhabditis elegans teñen un monofosfato no extremo 5’ e unha modificación no extremo 3' que bloquea os osíxenos en posición 2' e 3',[6] e isto tamén se confirmou en Drosophila melanogaster,[7] peixe cebra,[8] rato[9] e rata.[8] Esta modificación no extremo 3’ é unha 2’-O-metilación; a razón de que exista esta modificación non está clara, pero suxeriuse que incrementa a estabilidade do piRNA.[8][10] Pénsase que hai centos de miles de moléculas diferentes de piRNA ente os mamíferos.[11] Ata o momento, descubríronse unhas 50.000 secuencias distintas de piRNA no rato e máis de 13.000 en D. melanogaster.[12]

Todos os piRNAs presentan en común o feito de que carecen de secuencias xenómicas veciñas para formar unha forquita. Por esa razón, en todas as especies os piRNAs deben orixinarse a partir dun tipo diferente de precursor ao dos microARN. Os rasiRNA de Drosophila poden considerarse un subgrupo dentro dos piRNA, e como ocorre en C. elegans, en Drosophila tamén se demostrou xeneticamente a importancia de Piwi para o silenciamento dos transposóns.[13] Por outro lado, ratos mutantes para Mili ou Miwi (dúas proteínas de rato homólogas de Piwi) presentan maior mobilidade dos elementos transpoñibles, o que suxire que os piRNAs de rato tamén están asociados ao control dos transposóns.[14]

Porén, non todos os piRNA son homólogos de secuencias repetidas e transposóns: en ratos e ratas, a proporción de secuencias repetidas no xenoma é do 40%, pero as repeticións representan só o 17% de todos os piRNAs, mentres que unha distribución ao chou debería xerar un 40% de secuencias repetidas entre os piRNA.

Unha característica común a todos os piRNAs (e que os diferencia dos microARN) é que derivan dun número limitado de “puntos quentes” no xenoma. Esta capacidade de xerar piRNAs está conservada en rexións sinténicas (en xenética clásica, o concepto de sintenia describe a co-localización física de loci no mesmo cromosoma dentro dun individuo ou especie; o concepto está relacionado co de ligamento xenético) – por exemplo, entre o rato e a rata – pero as secuencias específicas dos piRNAs non están conservadas.[15] Quizais os puntos quentes están asociados con estruturas específicas da cromatina, ou son necesarios para xerar ditas estruturas, e a súa importancia pode ir alén da produción de piRNAs. En Drosophila, este agrupamento define loci reguladores mestres para o control de transposóns. Por exemplo, o locus flamenco (que controla a expansión de "gypsy" e outros elementos móbiles) exerce a súa función desenvolvendo unha resposta de piRNAs contra esas secuencias.[16] Brennecke e colaboradores propuxeron que os loci reguladores mestres representan un sitio para a memoria xenética dos transposóns en moscas. Non obstante, non está claro por que a produción de piRNAs necesita estar concentrada en rexións específicas.

Asociación coas proteínas piwi[editar | editar a fonte]

En xeral, os ARN pequenos que funcionan na interferencia (RNAi) asócianse a proteínas da familia "Argonauta", formando o complexo RISC (RNA-induced silencing complex). Neste complexo, a proteína Argonauta exerce a actividade bioquímica que corta o ARNm diana e interacciona con outras proteínas, mentres que o ARN pequeno confire a especificidade de substrato, a través da complementariedade da súa secuencia. As proteínas Argonauta comparten un dominio PAZ (Piwi, Argonauta, Zille) e un dominio Piwi característicos, e de acordo coa súa secuencia pódense agrupar en tres subfamilias:[17]

  • a subfamilia Argonauta
  • a subfamilia Piwi
  • unha tercera subfamilia, específica de Caenorhabditis elegans

No caso de Drosophila, identificáronse 5 proteínas Argonauta:[18]

  • Ago1 e Ago2 pertencen á subfamilia Argonauta e están implicadas no silenciamento post-transcricional; as proteínas da subfamilia Argonauta exprésanse en moitos tecidos somáticos.
  • Ago3, Aubergine (Aub) e Piwi representan a subfamilia Piwi; as proteínas da subfamilia Piwi exprésanse fundamentalmente na liña xerminal (aínda que se definiron algunhas funcións somáticas).

Varios estudos demostraron que as proteínas da subfamilia Piwi asócianse a unha poboación diferenciada de ARN pequenos en Drosophila,[19][20] ratos,[21][22] ratas[23] e peixes cebra[24], que son os piRNA.

Localización[editar | editar a fonte]

Os piRNA atópanse en clústeres por todo o xenoma; estes clústeres poden conter desde só dez a ata moitos milleiros de piRNAs[1][25] e poden variar en tamaño desde 1 kb a 100 kb.[25] Aínda que a agrupación en clústeres dos piRNA está moi conservada entre especies, a secuencia non.[1][26] En Drosophila melanogaster e vertebrados os piRNAs foron localizados en areas que carecen de xenes codificantes de proteínas,[4][27] pero en C. elegans foron localizados entre xenes que codifican proteínas.[6]

En mamíferos os piRNA atópanse tanto nos testículos[28] coma nos ovarios [29], aínda que parece que só se requiren nos machos [3]. En invertebrados os piRNAs foron detectados na liña xerminal tanto de machos coma de femias [8][11].

A nivel celular os piRNA foron atopados tanto no núcleo celular coma no citoplasma, o que suxire que as vías do piRNA poden funcionar en ambas as dúas áreas[4] e, xa que logo, poden ter múltiples efectos[30].

Bioxénese[editar | editar a fonte]

A bioxénese dos piRNA non se comprende aínda totalmente, pero propuxéronse varios posibles mecanismos. Os piRNA mostran a tendencia característica de derivar só dunha cadea de ADN[1], e isto pode indicar que son o produto dunha molécula precursora longa monocatenaria[2]. Suxeriuse unha vía primaria de procesamento, que é a única que se usa para producir os piRNA da paquitene da meiose; neste mecanismo, os precursores dos piRNA transcríbense orixinando piRNA cunha tendencia a unirse a uridinas en 5'[31][32]. Tamén se propuxo un mecanismo "Ping Pong" no que os piRNA primarios recoñecen as súas dianas complementarias e causan o recrutamento de proteínas piwi. Isto ten como resultado o corte do transcrito nun punto situado a dez nucleótidos do extemo 5’ do piRNA primario, producindo o piRNA secundario[32]. Estes piRNA secundarios teñen como dianas secuencias que posúen unha adenina na décima posición[31]. Dado que o piRNA implicado no ciclo ping pong dirixe os seus ataques a transcritos de transposóns, o ciclo ping pong actúa só ao nivel transcricional[26]. Algún destes mecanismos ou ambos poden actuar en diferentes especies; C. elegans, por exemplo, ten piRNA, pero non parece usar o mecanismo ping pong en absoluto[11].

Un número significativo dos piRNAs identificados en peixe cebra e D.melanogaster contén adenina na posición décima[4], e isto foi interpretado como unha posible evidencia dun mecanismo biosintético conservado entre especies[10]. Indicios do mecanismo ping-pong foron identificados en animais moi primitivos como esponxas e cnidarios, o que apunta á existencia do ciclo ping-pong xa nas primeiras pólas da árbore evolutiva dos metazoos [33].

Función[editar | editar a fonte]

A ampla variación entre especies nas secuencias dos piRNA e na función das proteínas piwi contribúe á dificultade de establecer a funcionalidade dos piRNA[34]. Porén, como ocorre con outros ARN pequenos, pénsase que os piRNAs están implicados no silenciamento de xenes[1], especificamente o silenciamento de transposóns. A maioría dos piRNA son moléculas antisentido con respecto a secuencias de transposón[26], o que suxire que os transposóns son as dianas dos piRNA. Nos mamíferos parece que a actividade dos piRNA no silenciamento de transposóns é máis importante durante o desenvolvemento embrionario [31], e tanto en C. elegans coma en humanos, os piRNA son necesarios para a espermatoxénese[34].

Silenciamento de ARN[editar | editar a fonte]

Os piRNA xogan un papel no silenciamento de ARN por medio da formación do complexo silenciador inducido por ARN (RISC). Os piRNA interaccionan con proteínas piwi que forman parte da familia de proteínas chamadas Argonautas. Estas proteínas son activas nos testículos de mamíferos e requírense para o desenvolvemento das células da liña xerminal e das células troncais ou nais en invertebrados. Tres subfamilias das proteínas piwi, as MIWI, MIWI2 e MILI, sábese que son esenciais para a espermatoxénese no rato. Os piRNA dirixen as proteínas piwi aos seus transposóns diana[31]. A diminución ou ausencia da expresión das proteínas piwi está correlacionada cun aumento na expresión dos transposóns.[4][31] Os transposóns teñen unha gran capacidade de causar efectos deletéreos no seu hóspede [25], e, de feito, encontrouse que as mutacións nas vías dos piRNA reducen a fertilidade en D.melanogaster[27]. Porén, non se demostrou que as mutacións que afectan ás vías dos piRNA en ratos reduzan a súa fertilidade; isto pode indicar a existencia de redundancias no sistema de piRNA[4]. Ademais, pénsase que os piRNA e o ARN interferente pequeno endóxeno (endo-siRNA) poden ter unha función comparable e mesmo redundante no control dos transposóns en ovocitos de mamíferos[26].

Os piRNA parecen influír en determinadas metiltransferases que realizan as metilacións necesarias para recoñecer e silenciar transposóns[31], pero esa reación non se comprende ben polo momento.

Efectos epixenéticos[editar | editar a fonte]

Os piRNA poden transmitirse por vía materna[8], e, baseándose en investigacións feitas en D. melanogaster, os piRNAs poden estar implicados en efectos epixenéticos derivados da nai[27]. A actividade de piRNA específicos no proceso epixenético tamén require interaccións entre as proteínas piwi e HP1a, e con outros factores.[12]

Descubrimentos recentes indican a existencia de cracterísticas de snoRNA, microARN, e piRNA nun novo tipo de ARN non codificante descuberto, o x-ncRNA, e a súa implicación biolóxica no Homo sapiens.[5]

Investigación[editar | editar a fonte]

Os principais avances no eido dos piRNA acadáronse grazas ao uso de técnicas de secuenciación sofisticadas, como a Solexa e 454. Estas técnicas permiten realizar análises de poboacións de ARN complexas e heteroxéneas como son as dos piRNA. Debido ao seu pequeno tamaño, a expresión e amplificación dos pequenos ARN é todo un reto, de modo que se puxeron a punto técnicas especializadas baseadas nos métodos da PCR para responder a estas dificultades[35][36].

Notas[editar | editar a fonte]

  1. 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 Molecular Biology Select. Cell, 2006. 126(2): p. 223, 225-223, 225.
  2. 2,0 2,1 2,2 Seto, A.G., R.E. Kingston, and N.C. Lau, The Coming of Age for Piwi Proteins. Molecular Cell, 2007. 26(5): p. 603-609.
  3. 3,0 3,1 Siomi MC, Sato K, Pezic D, Aravin AA: PIWI-interacting small RNAs: the vanguard of genome defence. Nat Rev Mol Cell Biol 2011, 12:246-258.
  4. 4,0 4,1 4,2 4,3 4,4 4,5 Klattenhoff, C. and W. Theurkauf, Biogenesis and germline functions of piRNAs. Development, 2008. 135(1): p. 3-9.
  5. 5,0 5,1 Kandhavelu M,* Lammi C, Buccioni M, Dal Ben D, Volpini R, Marucci G (2009). "Existence of snoRNA, microRNA, piRNA characteristics in a novel non-coding RNA: x-ncRNA and its biological implication in Homo sapiens". Journal of Bioinformatics and Sequence Analysis 1 (2): 031–040.
  6. 6,0 6,1 Ruby, J.G., et al., Large-Scale Sequencing Reveals 21U-RNAs and Additional MicroRNAs and Endogenous siRNAs in C. elegans. 2006. 127(6): p. 1193-1207.
  7. Vagin, V.V., et al., A Distinct Small RNA Pathway Silences Selfish Genetic Elements in the Germline. Science, 2006. 313(5785): p. 320-324.
  8. 8,0 8,1 8,2 8,3 8,4 Houwing, S., et al., A Role for Piwi and piRNAs in Germ Cell Maintenance and Transposon Silencing in Zebrafish. Cell, 2007. 129(1): p. 69-82.
  9. Kirino, Y. and Z. Mourelatos, Mouse Piwi-interacting RNAs are 2[prime]-O-methylated at their 3[prime] termini. Nat Struct Mol Biol, 2007. 14(4): p. 347-348.
  10. 10,0 10,1 Faehnle, C.R. and L. Joshua-Tor, Argonautes confront new small RNAs. Current Opinion in Chemical Biology, 2007. 11(5): p. 569-577.
  11. 11,0 11,1 11,2 Das, P.P., et al., Piwi and piRNAs Act Upstream of an Endogenous siRNA Pathway to Suppress Tc3 Transposon Mobility in the Caenorhabditis elegans Germline. Molecular Cell, 2008. 31(1): p. 79-90.
  12. 12,0 12,1 Lin, H., et al., The role of the piRNA pathway in stem cell self-renewal. Developmental Biology, 2008. 319(2): p. 479-479.
  13. Kalmykova AI, Klenov MS, Gvozdev VA.. Argonaute protein PIWI controls mobilization of retrotransposons in the Drosophila male germline.. 2052-9. [1]
  14. Aravin AA, Sachidanandam R, Girard A, Fejes-Toth K, Hannon GJ.. Developmentally regulated piRNA clusters implicate MILI in transposon control.. 744-7. [2]
  15. Girard A, Sachidanandam R, Hannon GJ, Carmell MA.. A germline-specific class of small RNAs binds mammalian Piwi proteins.. 199-202. [3]
  16. Brennecke J, Aravin AA, Stark A, Dus M, Kellis M, Sachidanandam R, Hannon GJ.. Discrete small RNA-generating loci as master regulators of transposon activity in Drosophila.. 1089-103. [4]
  17. Yigit E, Batista PJ, Bei Y, Pang KM, Chen CC, Tolia NH, Joshua-Tor L, Mitani S, Simard MJ, Mello CC.. Analysis of the C. elegans Argonaute family reveals that distinct Argonautes act sequentially during RNAi.. 747-57. [5]
  18. Williams RW, Rubin GM. (2002). ARGONAUTE1 is required for efficient RNA interference in Drosophila embryos.. 6889-94. [6]
  19. Vagin VV, Sigova A, Li C, Seitz H, Gvozdev V, Zamore PD.. A distinct small RNA pathway silences selfish genetic elements in the germline.. 320-4. [7]
  20. Saito K, Nishida KM, Mori T, Kawamura Y, Miyoshi K, Nagami T, Siomi H, Siomi MC.. Specific association of Piwi with rasiRNAs derived from retrotransposon and heterochromatic regions in the Drosophila genome.. 2214-22. [8]
  21. Aravin A, Gaidatzis D, Pfeffer S, Lagos-Quintana M, Landgraf P, Iovino N, Morris P, Brownstein MJ, Kuramochi-Miyagawa S, Nakano T, Chien M, Russo JJ, Ju J, Sheridan R, Sander C, Zavolan M, Tuschl T.. A novel class of small RNAs bind to MILI protein in mouse testes.. 203-7. [9]
  22. Girard A, Sachidanandam R, Hannon GJ, Carmell MA.. A germline-specific class of small RNAs binds mammalian Piwi proteins.. 199-202. [10]
  23. Lau NC, Seto AG, Kim J, Kuramochi-Miyagawa S, Nakano T, Bartel DP, Kingston RE.. Characterization of the piRNA complex from rat testes.. 363-7. [11]
  24. Houwing S, Kamminga LM, Berezikov E, Cronembold D, Girard A, van den Elst H, Filippov DV, Blaser H, Raz E, Moens CB, Plasterk RH, Hannon GJ, Draper BW, Ketting RF.. A role for Piwi and piRNAs in germ cell maintenance and transposon silencing in Zebrafish.. 69-82. [12]
  25. 25,0 25,1 25,2 O'Donnell, K.A. and J.D. Boeke, Mighty Piwis Defend the Germline against Genome Intruders. Cell, 2007. 129(1): p. 37-44.
  26. 26,0 26,1 26,2 26,3 Malone, C.D. and G.J. Hannon, Small RNAs as Guardians of the Genome. Cell, 2009. 136(4): p. 656-668.
  27. 27,0 27,1 27,2 Brennecke, J., et al., An Epigenetic Role for Maternally Inherited piRNAs in Transposon Silencing. Science, 2008. 322(5906): p. 1387-1392.
  28. Aravin, A., et al., A novel class of small RNAs bind to MILI protein in mouse testes. Nature, 2006. 442(7099): p. 203-207.
  29. Tam, O. H. et al. Pseudogene-derived small interfering RNAs regulate gene expression in mouse oocytes. Nature 453, 534–538 (2008).
  30. Ruvkun, G., Tiny RNA: Where do we come from? What are we? Where are we going? Trends in Plant Science, 2008. 13(7): p. 313-316.
  31. 31,0 31,1 31,2 31,3 31,4 31,5 Aravin , A.A., et al., A piRNA Pathway Primed by Individual Transposons Is Linked to De Novo DNA Methylation in Mice. Molecular Cell, 2008. 31(6): p. 785-799.
  32. 32,0 32,1 Brennecke, J., et al., Discrete Small RNA-Generating Loci as Master Regulators of Transposon Activity in Drosophila. Cell, 2007. 128(6): p. 1089-1103.
  33. Grimson, A., Srivastava, M., Fahey, B., Woodcroft, B.J., Chiang, H.R., King, N., Degnan, B.M., Rokhsar, D.S., and Bartel, D.P. (2008). Early origins and evolution of microRNAs and Piwi-interacting RNAs in animals. Nature 455, 1193–1197.
  34. 34,0 34,1 Wang, G. and V. Reinke, A C. elegans Piwi, PRG-1, Regulates 21U-RNAs during Spermatogenesis. Current Biology, 2008. 18(12): p. 861-867.
  35. Ro, S., et al., A PCR-based method for detection and quantification of small RNAs. Biochemical and Biophysical Research Communications, 2006. 351(3): p. 756-763.
  36. Tang, F., et al., A sensitive multiplex assay for piRNA expression. Biochemical and Biophysical Research Communications, 2008. 369(4): p. 1190-1194.

Véxase tamén[editar | editar a fonte]

Outros artigos[editar | editar a fonte]

Outras lecturas[editar | editar a fonte]

  • N.C. Lau et al., "Characterization of the piRNA Complex from Rat Testes," Science 313, 363 (2006)
  • V.N. Kim, "Small RNAs Just Got Bigger: Piwi-Interacting RNAs (piRNAs) in Mammalian Testes," Genes Dev. 20, 1993 (2006)
  • A. Girard et al., "A Germline-Specific Class of Small RNAs Binds Mammalian Piwi Proteins," Nature 442, 199 (2006)
  • S.T. Grivna et al., "A Novel Class of Small RNAs in Mouse Spermatogenic Cells," Genes Dev. 20, 1709 (2006)
  • T. Watanabe et al., "Identification and characterization of two novel classes of small RNAs in the mouse germline," Genes Dev. 20, 1732 (2006)
  • M.A. Carmell et al., "MIWI2 Is Essential for Spermatogenesis and Repression of Transposons in the Mouse Male Germline," Dev Cell. 12, 503 (2007)

Ligazóns externas[editar | editar a fonte]

  • piRNA Bank Un recurso web con piRNA clasificados e agrupados