Inne komponenty szlaku piRNA-Piwi

Białka Piwi oraz piRNA są kluczowymi składnikami szlaku piRNA-Piwi, aczkolwiek nie działają one w pojedynkę. Tworzą one większe kompleksy rybonukleoproteinowe, w skład których wchodzą inne funkcjonalne komponenty (Tab. 1). Zidentyfikowanymi po raz pierwszy białkami oddziałującymi z Piwi były białka należące do rodziny Tudor [95-97]. W genomie ssaków istnieje około 30 genów, które kodują domeny Tudor, a białka zawierające te domeny, takie jak TDRD1 i TDRD9, uczestniczą w szlaku piRNA-Piwi. Ogólnie biorąc domeny Tudor rozpoznają dimetylowane reszty argininy występujące w obrębie docelowych białek. Ostatnie badania wykazały, że argininy znajdujące się na N-końcu mysich białek Piwi są dimetylowane i w związku z tym są rozpoznawane przez domeny Tudor białek TDRD [97]. Białko Mili tworzy kompleks z TDRD1, Miwi2 z TDRD9, a Miwi z TDRD6. U osobników posiadających zmutowane geny tdrd1 oraz tdrd9 dochodzi do aktywacji retrotranspozonu LINE1 w trakcie spermatogenezy oraz znacznej zmiany w profilu ekspresji piRNA. Aktywacja retrotranspozonu IAP nie jest wykrywalna, inaczej niż w przypadku mutacji mili i miwi2, a przyczyna tego pozostaje nieznana. U osobników

46

ze zmutowanymi genami tdrd1 oraz tdrd9, metylacja de novo promotorów LINE1 zachodząca w (pro)spermatogoniach jest wyraźnie obniżona, co wskazuje, że te dwa białka Tudor, oddziałujące z białkami Piwi są niezbędne do regulacji LINE1 zarówno na poziomie transkrypcyjnym, jak i potranskrypcyjnym. Inne białka należące do rodziny Tudor, TDRD5 i TDRD7, również biorą udział w wyciszaniu transpozonów. Białko TDRD5 działa poprzez szlak piRNA-Piwi, natomiast białko TDRD7 może funkcjonować w odmienny sposób [129, 130]. Na poziomie molekularnym białka TDRD funkcjonują prawdopodobnie, jako rusztowanie gromadzące kompleksy makromolekularne za pomocą domen Tudor, jak również innych domen wchodzących w skład białek tworzących te kompleksy. Ewolucyjnie geny rodziny tudor występujące u innych gatunków włącznie z genem tudor u muszki owocowej, spn-E/homeless (homolog tdrd9) oraz innymi genami (Tejas, Yb, Krimper) również uczestniczą w szlaku piRNA-Piwi [131]. Zatem rodzina genów tudor jest kluczowym, konserwatywnym składnikiem szlaku piRNA-Piwi, zapewniający integralność komórek płciowych u różnych organizmów.

Innym ciekawym i konserwatywnym składnikiem szlaku piRNA-Piwi jest gen vasa (mysi homolog vasa - Mvh/Ddx4). Geny vasa są ewolucyjnie konserwatywne i przez długi czas były wykorzystywane, jako specyficzne markery komórek płciowych u wielu organizmów. Białko Vasa posiada domenę helikazy RNA i zaangażowane jest w metabolizm RNA, aczkolwiek szczegółowa molekularna funkcja pozostaje nieznana. Ostatnie badania przeprowadzone u myszy i muszki owocowej, posiadających zmutowany gen vasa wykazały, że gen ten przede wszystkim pełni rolę w szlaku piRNA-Piwi [94, 118]. U myszy mutacja Mvh/Ddx4 doprowadziła do zwiększonej ekspresji retrotranspozonów LINE1 i IAP, co spowodowało zatrzymanie spermatogenezy na etapie mejozy. U zmutowanych osobników nie pojawia się frakcja płodowych piRNA oddziałujących z Miwi2, co skutkuje uszkodzeniem procesu metylacji DNA. Obserwacje te jasno wskazują na kluczową rolę genu vasa w szlaku piRNA-Piwi. W biologii rozwojowej geny vasa i tudor przez długi czas były uważane za kluczowe geny, kontrolujące procesy rozwojowe, istotne dla specyfikacji komórek płciowych u muszki owocowej i ich różnicowania u myszy [98]. Jednakże obecnie okazało się, że geny te, jak również inne geny (łącznie z piwi) zaangażowane w rozwój komórek płciowych, uczestniczą w kontroli transpozonów poprzez szlak piRNA-Piwi, co wskazuje na ogromne znaczenie kontroli transpozonów podczas rozwoju komórek płciowych.

47

Białko Mov10L1 (homolog białka Armitage występującego u muszki owocowej) jest kolejną helikazą RNA niezbędną w procesie pierwotnej biogenezy i łączenia piRNA z białkami Piwi, a także supresji retrotranspozonów LINE1 oraz IAP podczas spermatogenezy [132, 133]. Helikaza ta, podobnie jak produkty genów Mvh/Ddx4 oraz Tdrd9 (białko to także posiada domenę helikazową) [94], jest ewolucyjnie konserwatywna i ważna dla prawidłowego funkcjonowania szlaku piRNA-Piwi.

Inne komponenty szlaku piRNA-Piwi zidentyfikowane do tej pory to białka Maelstrom [134] i GASZ/ASZ1 [135]. Maelstrom posiada domenę HMG-box i jest konieczne do supresji transpozonów LINE1 oraz IAP, a utrata jego funkcji powoduje defekty w ekspresji piRNA oraz przejściową hipometylację LINE1 w (pro)spermatogoniach. Białko Gasz/Asz1 zawiera powtórzenia ankirynowe (33-aminokwasowy motyw białkowy składający się z dwóch alfa-helis oddzielonych pętlą) oraz domenę SAM (ang. sterile alpha motif), a jego rola polega na supresji transpozonów LINE1 oraz IAP, prawdopodobnie poprzez stabilizację białka Mili oraz innych czynników szlaku piRNA-Piwi.

Innym ostatnio zidentyfikowanym ciekawym składnikiem szlaku piRNA-Piwi jest białko Mitopld/Zucchini/PLD6 należące do rodziny fosfolipazy D, która hydrolizuje fosfolipidy i uczestniczy w szlaku sygnałowym lipidów [136]. Przypuszcza się, że białko Mitopld/Zucchini jest nukleazą odpowiedzialną za przetwarzanie piRNA, jednakże jego aktywność nukleazowa, w przeciwieństwie do aktywności lipazy, nie została dowiedziona [98]. Mutacje w genie Mitopld/Zucchini powodują wzrost aktywności retrotranspozonu LINE1, hipometylację DNA oraz poważne błędy w procesie biogenezy pierwszorzędowych piRNA. Co ciekawe białko Mitopld/Zucchini zlokalizowane jest na zewnętrznej błonie mitochondriów, a jego nadekspresja (w komórkach somatycznych) ułatwia fuzję mitochondriów poprzez lipidowy szlak sygnałowy [98], podczas gdy utrata jego funkcji zakłóca dystrybucję mitochondriów oraz powoduje niewłaściwą lokalizację komponentów szlaku piRNA-Piwi, takich jak białka Mili oraz TDRD1. Zatem białko Mitopld/Zucchini jest ważnym czynnikiem, który może łączyć regulację błony mitochondrialnej i lipidowy szlak sygnałowy ze szlakiem piRNA-Piwi.

Tabela 1. Komponenty szlaku piRNA-Piwi u myszy.

Gen Domena białkowa

Lokalizacja białka Aktywacja retropozonów u mutantów Biogeneza piRNA u mutantów Fenotyp spermatogenezy u mutantów Lit.

Piwil1 (Miwi) Piwi, Paz ciało chromatoidalne LINE1 utrata pachytenowych piRNA

spermatydy [104, 124]

Piwil2 (Mili) Piwi, Paz „intermitochondrial cement”, ciało chromatoidalne

LINE1, IAP

utrata płodowych piRNA spermatocyty [37,110,111, 119,121]

Piwil4 (Miwi2) Piwi, Paz ciałka P, jądro LINE1, IAP

zmiany w płodowych piRNA spermatocyty [37,103, 111,119]

Tdrd1 (Mtr-1) Tudor, Mynd „intermitochondrial cement”, ciało chromatoidalne

LINE1 zmiany w płodowych piRNA spermatocyty, spermatydy

[95-97]

Tdrd5 Tudor, Lotus „intermitochondrial cement”, ciało chromatoidalne

LINE1 brak danych spermatydy [129]

Tdrd9 Tudor, helikaza ciałka P, jądro, ciało chromatoidalne

LINE1 zmiany w płodowych piRNA spermatocyty [137]

Ddx4 (Mvh) helikaza „intermitochondrial cement”, ciało chromatoidalne

LINE1, IAP

zmiany w płodowych piRNA spermatocyty [94]

Mov10L1 helikaza cytoplazma LINE1,

IAP

utrata okołoporodowych piRNA

spermatocyty [132,133]

Mael HMG ciałka P, ciało

chromatoidalne LINE1, IAP przejściowa utrata płodowych piRNA spermatocyty [122,134]

Asz1 (Gasz) powtórzenia ankirynowe, SAM

„intermitochondrial cement” LINE1, IAP zmiany w pourodzeniowych, prepachytenowych piRNA spermatocyty [135] Pld6 (Zuc/mitoPLD)

49