近日，爱丁堡大学 Donal O’Carroll 院士团队与我院 刘琬璐 教授团队、奥地利维也纳生物中心 Elly M Tanaka 院士团队在EMBO Journal上合作发表了题为A mammalian-like piRNA pathway in Axolotl reveals the origins of piRNA-directed DNA methylation的文章。该研究利用墨西哥钝口螈（axolotl）作为研究对象，首次揭示了哺乳动物细胞核piRNA通路的演化起源。
浙江大学-爱丁堡大学联合学院的浙大-爱大双博士项目学生 相欣雨 为本文的第一作者，其浙江大学导师为我院的 刘琬璐 教授，共同导师为爱丁堡大学 Donal O’Carroll 院士（通讯作者）。我院生物信息学浙大爱大双学位本科生 高安妮 为本文的第二作者，其本科阶段曾在刘琬璐教授课题组进行科研实习。该成果充分展示了浙江大学–爱丁堡大学联合学院在高水平科研合作与人才联合培养中的显著优势，体现了两校国际化合作在生物医学领域深度协同与创新研究中的示范意义。
（1） piRNA通路介导的转座子沉默对生殖至关重要
在动物生殖细胞（如精子和卵子）形成过程中，活跃的转座子（transposons）就像“埋在基因组中的定时炸弹”。作为基因组中数量庞大的一类可移动DNA元件，转座子一旦“跳跃”插入到新的基因组位置，便可能破坏基因结构、诱发DNA双链断裂，从而干扰生殖细胞发育，甚至危及个体生育能力。piRNA（PIWI-interacting RNA）通路就像优秀的“排雷员”，能够精准靶向并沉默活跃转座子，是维持生殖细胞基因组完整性的核心防御系统【1，2】。
（2） 细胞核piRNA通路仅在哺乳动物中被报道
piRNA是一类小分子非编码RNA，通过与PIWI蛋白结合形成复合物后，在动物生殖细胞中沉默转座子，让这颗定时炸弹哑火。piRNA通路分为细胞质通路和细胞核通路两类。其中，细胞质piRNA通路在绝大多数动物中广泛存在【3】，负责切割并清除转座子的转录本，实现迅速及时“排雷”。相比之下，细胞核piRNA通路则承担“永久封印”功能，利用piRNA引导DNA甲基化，长期稳定沉默转座子。长期以来，细胞核piRNA通路一直被认为是哺乳动物特有的机制【1，2】。
（3） 墨西哥钝口螈是研究转座子与piRNA通路的理想模型
墨西哥钝口螈因其出色的组织修复能力（比如断肢再生），成为经典的再生生物学模式动物。除再生特性外，其基因组也非常特殊，是现存动物中最大的基因组之一（约32Gb，约人类的10倍）【4】。这一庞大的基因组很大程度上由转座子的扩张引起；钝口螈基因组约70%由转座子构成，而人类约50%。如此高的转座子负担与大基因组规模，使墨西哥钝口螈成为研究转座子活动与沉默机制的理想模型。
（4） 墨西哥钝口螈具有类似哺乳动物的piRNA通路
首先，为追溯哺乳动物piRNA通路的演化起源，作者构建了piRNA通路相关基因在脊椎动物中的系统发育树。结果显示，哺乳动物中关键的细胞核piRNA因子，包括PIWIL4、SPOCD1、C19ORF84、TEX15等，在两栖动物墨西哥钝口螈的基因组中首次完整出现，而在肉鳍鱼与辐鳍鱼中均存在一些关键因子的缺失，提示这些核因子可能并未在更早期的脊椎动物类群中出现。此外，转录组数据显示，这些piRNA通路相关基因在墨西哥钝口螈中呈生殖系统特异性表达，高度类似哺乳动物系统，进一步暗示其潜在功能。
（5） 墨西哥钝口螈存在功能性的细胞质piRNA通路
为更好地理解钝口螈中的转座子活动与沉默机制，作者首次预测注释了墨西哥钝口螈中的活跃转座子，鉴定出一批以年轻LTR与DNA转座子为主的有潜在转座活性的转座子。随后，团队通过小RNA测序，对钝口螈生殖系统中的piRNA进行了全面分析。结果显示，钝口螈雄性与雌性生殖系统均存在丰富的piRNA（超过8800
种），且大量源于转座子序列。细胞质piRNA通路主要包括piRNA的生成、及经典的乒乓循环（ping-pong cycle）介导的转录后沉默，靶向切割并降解转座子的转录本。piRNA主要从基因组中的piRNA簇（piRNA clusters）生成，且在钝口螈中存在明显的性别特异性piRNA
。此外，靶向转座子的piRNA具备典型的乒乓循环特征，证明墨西哥钝口螈生殖系统中存在功能性的细胞质piRNA通路。
（6） 墨西哥钝口螈中细胞核piRNA通路存在的证据
对于细胞核piRNA通路，即piRNA介导的DNA甲基化沉默机制，过去除哺乳动物外几乎未有报道。其主要由piRNA-PIWIL4复合体及相关核因子发挥功能，通过招募DNA甲基化酶，特异性甲基化沉默年轻、活跃转座子的启动子，是维持转座子长期稳定抑制的关键机制。在生殖细胞表观遗传重编程过程中，基因组经历大规模去甲基化，因而更加易受转座子活动的威胁，因此细胞核piRNA通路的沉默机制在此阶段尤为重要。其最终结果体现为精子中年轻转座子的高度甲基化。通过对墨西哥钝口螈精子的全基因组甲基化测序，作者发现其整体CpG甲基化水平约为90%，显著高于哺乳动物（约75%–85%）。更重要的是，钝口螈精子中整个转座子区域，包括其启动子，整体呈高度甲基化状态。尤其对于有潜在转座活性的转座子，其甲基化水平显著更高。由此，这些结果首次支持，除哺乳动物外，在墨西哥钝口螈中同样存在转座子的DNA甲基化沉默。
总体而言，本研究在墨西哥钝口螈中鉴定出完整且高度相似于哺乳动物的piRNA通路。小RNA测序和全基因组甲基化测序的结果共同表明，墨西哥钝口螈不仅具备功能性的细胞质piRNA通路用于清除转座子转录本，还拥有细胞核piRNA通路，通过DNA甲基化实现对转座子的长期稳定沉默。研究首次明确指出，哺乳动物的piRNA通路，尤其是piRNA介导的转座子DNA甲基化沉默机制，其起源可追溯至蝾螈与哺乳动物的共同祖先，即四足动物时期。该发现不仅弥补了piRNA通路演化史上的关键空白，也为理解生殖细胞发育、表观遗传重编程以及基因组防御机制提供了全新的演化视角。
原文链接：
https://www.embopress.org/doi/full/10.1038/s44318-025-00631-w
【1】 Wang X, Ramat A, Simonelig M, and Liu M-F Emerging roles and functional mechanisms of PIWI-interacting RNAs Nat Rev Mol Cell Biol 2023 24 123-141
【2】 Ozata DM, Gainetdinov I, Zoch A, O’Carroll D, and Zamore PD PIWI-interacting RNAs: small RNAs with big functions Nat Rev Genet 2019 20 89-108
【3】 Grimson A, Srivastava M, Fahey B, Woodcroft BJ, Chiang HR, King N, Degnan BM, Rokhsar DS, and Bartel DP Early origins and evolution of microRNAs and Piwi-interacting RNAs in animals Nature 2008 455 1193-1197
【4】 Nowoshilow S, Schloissnig S, Fei J-F, Dahl A, Pang AWC, Pippel M, Winkler S, Hastie AR, Young G, Roscito JG, et al. The axolotl genome and the evolution of key tissue formation regulators Nature 2018 554 50-55
