Piwi-αλληλεπιδρών RNA

Τα Piwi-αλληλεπιδρώντα RNA (Piwi-interacting RNAs, piRNAs) είναι η μεγαλύτερη κατηγορία μικρών μη κωδικοποιητικών μορίων RNA που εκφράζονται σε ζωικά κύτταρα. Τα piRNAs σχηματίζουν σύμπλοκα RNA-πρωτεΐνης μέσω αλληλεπιδράσεων με τις πρωτεΐνες piwi. Αυτά τα σύμπλοκα piRNA έχουν συνδεθεί τόσο με επιγενετική όσο και με μετα-μεταγραφική σίγηση γονιδίων ρετροτρανσποζονίων και άλλων γενετικών στοιχείων σε κύτταρα της βλαστικής σειράς, ιδιαίτερα εκείνα της σπερματογένεσης.

Περιγραφή

Ρόλος τους είναι η καταστολή της δράσης των μεταθετών στοιχείων (π.χ. ρετροτρανσποζονίων), τα οποία έχουν στόχο να διατηρήσουν τη γονιδιακή τους ακεραιότητα και να περάσουν στην επόμενη γενεά. Η πλειοψηφία των piRNAs έχουν αλληλουχίες συμπληρωματικές με αυτές των μεταθετών RNAs και είναι ικανά να δρουν ως ολιγονουκλεοτίδια που καταστέλλουν τα μεταθετά στοιχεί στο DNA. Τα piRNAs επεξεργάζονται μέσω πολύπλοκων μηχανισμών από μονόκλωνα πρόδρομα (ss) RNA, τα οποία μεταγράφονται από δύο κύριες πηγές, τα piRNA clusters και τα ενεργά μεταθετά στοιχεία. Μετά την ωρίμανση, τα piRNAs σχετίζονται με τις PIWI πρωτεΐνες για να σχηματίσουν τα σύμπλοκα piRNA-induced silencing complexes (piRISCs) και να κατευθυνθούν προς τα RNA μετάγραφα των μεταθετών στοιχείων μέσω ζευγαρώματος βάσεων.
Οι ομάδες piRNA (clusters) χωρίζονται σε 3 κατηγορίες ανάλογα με τον προσανατολισμό της μεταγραφής: σε μονής αλυσίδας, διπλής αλυσίδας, και διπλής κατεύθυνσης piRNA ομάδες. Αυτά που ανήκουν στην ομάδα της μονής αλυσίδας μεταγράφονται μόνο από τη μία αλυσίδα του DNA, αυτά που ανήκουν στην ομάδα της διπλής αλυσίδας δημιουργούν μετάγραφα και από τις δύο αλυσίδες τα οποία είναι συμπληρωματικά και αυτά που ανήκουν στην ομάδα της διπλής κατεύθυνσης δίνουν μετάγραφα και από τις δύο αλυσίδες, όχι όμως ταυτόχρονα, οπότε δεν αλληλοσυμπληρώνονται.
Το piRISC δρα ως εργαλείο αποσιώπησης σε μεταγραφικό και μετα-μεταγραφικό επίπεδο ανάλογα με το πού εδράζεται. Οι κυτταροπλασματικές PIWI πρωτεΐνες, όπως οι Aub και Ago3 στη Drosophila και οι MIWI και MILI στο ποντίκι, καταστέλλουν τα μεταθετά στοιχεία μετα-μεταγραφικά κόβοντας τα RNA μετάγραφα. Αντίθετα, οι πυρηνικές PIWI πρωτεΐνες, Piwi στη μύγα και MIWI2 στο ποντίκι, καταστέλλουν τα μεταθετά στοιχεία κατά τη μεταγραφή. Τα RNAs στόχοι που κόβονται από κυτταροπλασματικά piRISCs χρησιμοποιούνται κατόπιν ως υποστρώματα για τη δημιουργία δευτερογενών piRNAs.

Ο κύκλος του ping-pong

Στα γαμετικά κύτταρα της Drosophila, τα πρωτογενή piRNAs διαμορφώνουν τα piRISCs με τις Piwi και Aub πρωτεΐνες. Τα σύμπλοκα Piwi-piRISCs έχουν ως λειτουργία την αποσιώπηση στον πυρήνα όπως και στα σωματικά κύτταρα, ενώ τα σύμπλοκα  Aub-piRISCs  εδράζονται στο κυτταρόπλασμα και καταστέλλουν τα μεταθετά στοιχεία. Ο μοριακός μηχανισμός αυτής της καταστολής ομοιάζει με αυτό του συμπλέγματος Ago2-siRISC, με τη διαφορά ότι στην καταστολή μέσω συμπλέγματος Aub-piRISC το RNA στόχος δεν αποικοδομείται αλλά χρησιμοποιείται ως υπόστρωμα για την παραγωγή δευτερογενών piRNAs. Τα τελευταία συνδέονται με την πρωτεΐνη Ago3 και συνθέτουν το σύμπλεγμα piRISC- Ago3, το οποίο κόβει τα RNAs στόχους που περιέχουν τις αλληλουχίες των μεταθετών στοιχείων στον αντίστροφο προσανατολισμό. Αυτή η αντίδραση δίνει κατόπιν γένεση στα αντικωδικά piRNA, τα οποία φορτώνονται στις Aub, δημιουργώντας έναν μηχανισμό εμπρόσθιας τροφοδότησης (feed-forward). Αυτή η διαδικασία είναι γνωστή και ως ο κύκλος του ping-pong.