piRNAs – Wächter der Keimbahn

Bis 2001 wurde RNA-Interferenz – die sequenzspezifische Hemmung der Genfunktion durch homologe doppelsträngige RNA (dsRNA) – in einer Vielzahl von Eukaryoten beobachtet. Das Phänomen wurde mit Transposon-Repression und antiviraler Abwehr in Verbindung gebracht, insbesondere in Pflanzen, aber das gesamte Spektrum und die funktionelle Relevanz dieses Mechanismus bei Tieren waren unbekannt. Dann zeigten Gvozdev und Kollegen homologieabhängige Stummschaltung von hodenspezifischen Sterngenen, die durch kleine RNAs vermittelt wurden, die aus beiden Strängen des Suppressors des sternförmigen Wiederholungslocus in der männlichen Keimbahn von Drosophila melanogaster erzeugt wurden. Interessanterweise führte die Erleichterung der Sternstummschaltung auch zur De-Repression von Retrotransposons und anderen genomischen Tandem-Wiederholungen. Diese Arbeit markierte die Entdeckung von piRNAs, obwohl es weitere fünf Jahre dauern würde, bis sie diesen Namen erhielten.

Im Jahr 2006 identifizierten vier Studien mithilfe der RNA‑Sequenzierung eine Klasse von 26-30-Nukleotid-langen RNAs, die spezifisch mit Säugetier—PIWI-Clade-Argonaute-Proteinen in männlichen Keimzellen von Mäusen, Ratten und Menschen assoziiert sind – daher der Name piRNAs für PIWI-interagierende RNAs. PIWI-Proteine waren genetisch mit dem Erhalt von Keimzellen und Stammzellen sowie mit der Meiose verbunden, obwohl ihre biochemische Funktion unbekannt blieb.

Zu dieser Zeit wurde gezeigt, dass die verwandte AGO-Clade-Unterfamilie von Argonauteproteinen bei RNA‑Interferenz und microRNA-vermittelter Genregulation unter Verwendung von 21-22-Nukleotid-RNAs als Targeting-Guides wirkt. piRNAs schienen jedoch verschieden zu sein. Zum Beispiel gab es wenig Hinweise auf überlappende komplementäre RNAs oder potenzielle Fold-Back-Strukturen, was darauf hindeutet, dass piRNAs möglicherweise nicht von dsRNA-Vorläufern abgeleitet sind. Zamore und Kollegen lieferten dann den Beweis, dass die Dicer-Endonuklease-Aktivität – die für die microRNA- und Short-Interfering-RNA-Biogenese essentiell ist – für die piRNA-Generierung in D. melanogaster entbehrlich war. Dieser Befund führte zu der Erkenntnis, dass piRNAs eine neuartige Klasse von Dicer-unabhängigen kleinen Silencing-RNAs darstellten.

Der Mechanismus der PIRNA‑Biogenese blieb jedoch bis 2007 unklar, als zwei Gruppen unabhängig voneinander eine komplizierte piRNA-Amplifikationsschleife, den sogenannten piRNA-Ping-Pong-Zyklus, beschrieben. Sequenzierung kleiner RNAs, die mit allen drei D assoziiert sind. melanogaster-PIWI-Clade-Proteine – Piwi, Aubergine (Aub) und Argonaute 3 (Ago3) — zeigten, dass jedes Protein an spezifische piRNA-Populationen bindet: Piwi-gebundene und Aub-gebundene piRNAs waren hauptsächlich Antisense für Transposon-Sequenzen und hatten eine starke Präferenz für ein 5ʹ-terminales Uridin. Ago3-assoziierte piRNAs hingegen waren für Transposon-Sense-Stränge voreingenommen und hatten eine Präferenz für ein Adenin am Nukleotid 10, ohne Präferenz für Uridin am 5ʹ -Ende. Am auffälligsten war, dass die 5ʹ ‑Enden von Ago3-gebundenen piRNAs typischerweise um genau zehn Nukleotide von den 5ʹ -Enden komplementärer Aub-gebundener piRNAs versetzt waren. Dies schlug ein Modell vor, in dem eine Antisense-piRNA, komplexiert mit Aub, ein Sense-Transposon-Transkript erkennen und spalten würde. Das gespaltene Produkt würde dann zu einer Ago3‑gebundenen Sense-piRNA verarbeitet, die Zieltranskripte suchen könnte. Die Ago3-gerichtete Spaltung löst die Erzeugung der ursprünglichen Antisense-piRNA aus, die sowohl das Zielelement zum Schweigen bringen als auch die Reaktion weiter verstärken kann. Der Großteil der anfänglichen Antisense-Vorläufer-RNAs stammte von diskreten genomischen Loci, sogenannten piRNA-Clustern, die hauptsächlich aus defekten Transposon-Sequenzen in der Fliege bestehen.

Zusammen haben diese Studien den piRNA-Signalweg als Transposon-Überwachungsmechanismus etabliert. Obwohl eine Vielzahl späterer Studien zusätzliche spannende Einblicke in den piRNA-Signalweg und seine Funktion als Schutz der Genomintegrität und Fruchtbarkeit lieferte, sind viele Fragen zu den genauen molekularen Mechanismen der piRNA-Erzeugung und ihren vielfältigen Silencing-Funktionen immer noch unbeantwortet und das Thema bleibt ein aktives Forschungsgebiet.