piRNA（PIWI-interacting RNA）是一类在动物的生殖腺中广泛存在的非编码小RNA。piRNA可以结合PIWI蛋白，通过碱基互补配对的方式，靶标到特定的RNA上，来实现转录及转录后水平的沉默，在转座子沉默、生殖发育、基因表达调控和性别决定等过程中发挥重要作用。piRNA基因通常成簇分布于异染色质区域，但其在异染色质环境中维持高效转录的机制仍不清楚。中国科学技术大学光寿红团队前期研究已揭示USTC复合物、H3K27me3阅读蛋白UAD-2和PICS复合物参与piRNA的转录加工过程（Genes & Dev, 2019; Cell Rep, 2019; PNAS, 2021; Nat Commun, 2021, 2023）。近日，该团队在《自然·结构与分子生物学》（Nature Structural & Molecular Biology）发表题为“piRNA gene density and SUMOylation organize piRNA transcriptional condensate formation”的研究论文，首次揭示了piRNA基因密度与SUMO化协同调控piRNA转录凝聚体形成的分子机制（图1）。

在哺乳动物、果蝇和线虫等物种的基因组中，存在数万个piRNA基因，这些基因通常以成百上千的规模成簇分布，形成高度密集的piRNA基因簇。在秀丽隐杆线虫中，约92%的piRNA基因聚集于IV号染色体的两个富含异染色质修饰的piRNA基因簇中（Cluster I和Cluster II）。研究团队通过piRNA的高通量测序发现piRNA基因的表达水平与piRNA基因在基因组上的密度呈正相关；随后研究团队通过染色体编辑技术，发现人工提高piRNA基因密度可显著增强其表达：将低密度Cluster I片段倒置至高密度Cluster II附近后，Cluster I的piRNA表达量提升2-3倍；而将高密度piRNA基因片段转位至其他染色体则导致表达沉默。同时跨物种分析显示，线虫近缘种C. briggsae的piRNA基因同样呈现“高密度-高表达”相关性；2019年Kevin D. Corbett课题组在Nature Structural & Molecular Biology上的报道发现在小鼠精子细胞中，多个piRNA基因簇可以通过远程相互作用形成转录hub的特定区室，可能对小鼠精子的piRNA的高效转录发挥重要作用。这些研究结果提示piRNA基因的空间聚集可能是piRNA高效转录的一个保守策略。

USTC复合物和H3K27me3阅读蛋白UAD-2可以结合在piRNA基因簇上，在减数分裂期的生殖细胞中形成约1微米大小的转录凝聚体。研究团队通过活体荧光漂白恢复（FRAP）技术、活体1-6己二醇处理实验和体外生化相分离实验发现，UAD-2可以通过其内部无序区和Chromo结构域在piRNA基因簇上形成类似液滴状凝聚体，而USTC组分则形成近似固相凝聚体。研究团队通过对线虫进行EMS化学诱变筛选UAD-2亚细胞定位发生改变的突变体，鉴定出SUMO E3连接酶GEI-17和SUMO水解酶TOFU-3分别作为抑制和促进piRNA转录凝聚体形成的关键因子，显示SUMOylation通路可能是piRNA转录的动态调控和环境适应性调控的核心机制之一。

因此，高密度聚集的piRNA基因通过UAD-2相分离形成转录凝聚体，招募USTC复合物和RNA聚合酶Ⅱ启动异染色质区域piRNA基因的转录；SUMO化通过调控凝聚体动态平衡，实现piRNA表达的时空精确性和环境适应性（图2）。这一机制不仅解释了异染色质区域piRNA高效转录的悖论，也为理解相分离与表观修饰的交叉调控提供了新视角。该研究揭示了piRNA基因密度与SUMO化修饰协同调控转录凝聚体的分子框架，为治疗piRNA通路的生殖相关疾病提供了理论基础。

中国科学技术大学副研究员/安徽医科大学教授朱成明、中国科学技术大学生命科学与医学部博士研究生司晓悦为共同第一作者。中国科学技术大学生命科学与医学部光寿红教授、黄新亚博士、项晟祺教授和安徽医科大学冯雪竹教授为共同通讯作者。本研究还得到了中国科学技术大学阮科教授、周颖教授、单革教授和中国科大生命科学实验中心刘振邦博士的大力支持和帮助。研究获国家自然科学基金、国家重点研发计划、中国科学院先导项目、合肥综合性国家科学中心大健康研究院项目和中国科学技术大学等项目支持。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41594-025-01533-5