摘要

在秀丽隐杆线虫中，已发现 Piwi 蛋白与称为 piRNA 的非编码 RNA 形式的结合对生殖和衰老过程都很重要。由于 piRNA 的生物合成受线粒体功能调节，因此线粒体功能和 piRNA 表达之间的相互作用可能在生殖和衰老过程中发挥着未知但重要的作用，因为已知这两个过程都受到线粒体质量下降和活动。虽然生殖和长寿之间的关系没有完全表征，但衰老的最优理论和一次性躯体理论表明，生殖和衰老维持需要能量和资源之间的权衡。在这项研究中，线粒体变异通过呼吸链复合体 IV（COX1）多态性对 piRNA 表达的影响与线虫的生殖和衰老结果相关。发现线粒体中的 COX1 多态性会影响 piRNA 表达的数量、生殖细胞的发育和线虫的寿命长度。有趣的是，超过三分之二的与线粒体变异相关的 piRNA 表达变化也受年龄影响。对改变的 piRNA 物种进行的基因本体分析发现，受线粒体变异和年龄影响的 piRNA 与已知在生殖和发育功能中起作用的基因有关。此外，基于与线粒体变异相关的piRNA差异表达模式构建了piRNA-lncRNA-mRNA调控网络，以进一步识别具有功能相互作用的潜在基因靶标。同样，该网络确定了参与繁殖、发育和衰老过程的基因。这些发现为理解线粒体变异如何调节 piRNA 表达以及可能影响影响生殖和衰老的潜在分子机制提供了新的见解。

讨论

Piwi-piRNA 通路在许多种系中在进化上是保守的（Bagijn 等，2012）。在秀丽隐杆线虫中，piRNA 的长度约为 20 个核苷酸，并具有 5′ 尿嘧啶核苷酸末端（Ruby 等，2006）。先前的研究表明，piRNA 为秀丽隐杆线虫中的 RNA 干扰提供了可遗传的、序列特异性的触发因素（Bagijn 等，2012）。有趣的是，之前关于 piRNA 的大多数研究都集中在繁殖上，还有一些研究与衰老有关（Kim 和 Lee，2019）。此外，研究已经证实，Piwi 相互作用 RNA (piRNA) 介导的果蝇和小鼠生殖系中转座因子的沉默需要线粒体功能，这表明线粒体在 piRNA 通路中发挥重要作用（Aravin 和 Chan，2011）。因此，piRNAs 可能在线粒体与繁殖和衰老之间发挥联系作用。本研究以秀丽隐杆线虫作为模式生物，探讨线粒体、piRNA、繁殖和衰老之间的关系。

由于已发现piRNA通路受线粒体影响并参与生殖功能和衰老的调节，因此推测线粒体通过piRNA影响生殖和衰老。线粒体基因只占生物体基因组的很小一部分，但线粒体为细胞功能提供必要的能量，并在信号转导、细胞生长和细胞凋亡中发挥重要作用。我们之前的研究表明，线粒体和核基因组之间的错配程度可能是影响秀丽隐杆线虫种群繁殖和寿命差异的重要因素（Zhu et al., 2015, 2019）。这些早期研究包括构建包含 COX1 线粒体基因变异和与野生型线虫（布里斯托尔菌株）相同基因组背景的核转移线虫种系，并发现该种系相对于 N2 线虫具有降低的线粒体功能和与繁殖相关的功能降低，寿命缩短。在本研究中，使用携带 N2 核基因组和 CB4856 线粒体的类似秀丽隐杆线虫核转移系来比较线粒体变异对 piRNA 表达的影响。本研究中的调查集中在 piRNA 基因表达的变化受秀丽隐杆线虫内线粒体的自然 COX1 变异影响，并发现许多 piRNA 受到 COX1 变异和衰老的影响。

衰老通常伴随着生物功能的下降，尤其是在长寿和运动方面。在这里，还在 NC30 秀丽隐杆线虫构建体中研究了健康跨度/运动性的变化，发现线粒体中的天然 COX1 变异都影响了线虫的健康跨度和 piRNA 基因表达水平。发现许多 piRNA 的表达水平变化不仅受 COX1 变异的影响，而且还具有与衰老同时发生的表达变化。正如我们之前的研究表明，与野生型线虫相比，这种线虫株的寿命也缩短了（Song 等，2020），COX1 线粒体变异、繁殖、衰老和 piRNA 表达/功能之间的间接相关性表明线粒体变异和 piRNA 表达之间的相互作用需要进一步研究，以充分了解它们对生殖和/或衰老过程的直接影响。

为了更好地了解 COX1 影响 piRNA 表达的生物学功能和潜在机制，以及这种影响如何影响繁殖和衰老，进行了 GO 分析并用于识别 piRNA 功能的潜在下游目标。在本研究中发现的 GO 术语中，与 piRNA 序列相关的潜在繁殖和发育过程被确定为受到线虫线粒体变异和年龄的影响。此外，piRNA-lncRNA 和 piRNA-mRNA 相互作用也从相同的线虫 piRNA、mRNA 和 lncRNA 表达数据样本中得到鉴定。 piRNA-lncRNA-mRNA 相互作用网络的构建预测了类似的 piRNA 功能，并为线粒体 COX1 变异通过 piRNA 信号传导潜在影响繁殖和衰老的影响提供了遗传模型。总的来说，这项实验和计算模型研究提供了新的证据，旨在了解线粒体如何影响控制生殖和衰老的分子机制，并表明 piRNA 可能在这些生殖和衰老机制中发挥重要的作用，尽管尚未确定。因此，预计未来的研究或 piRNA 将揭示生殖和衰老过程中涉及的新机制，如果不能作为未来生殖和衰老研究的新生物标志物。