ゲノムの膨大な領域 (ヒトでは40%以上)を占めるトランスポゾンは、転移によりゲノム進化の原動力となってきた。一方、その無秩序な転移・増殖によりゲノム機能は破綻し、生命維持の脅威となる。ショウジョウバエ卵巣においてはPiwi-piRNA複合体がトランスポゾン抑制の中核をなす。これまで、Piwi相互作用因子としてPanx-Nxf2複合体を同定し、トランスポゾンの抑制機構は少なくとも二段階からなることを報告した (Murano K et al., EMBO J 2019)。初期過程ではリクルートされたPanx-Nxf2複合体が転写抑制を引き起こし(抑制開始)、トランスポゾン周辺に高度に凝集したヘテロクロマチンが形成されることで、抑制状態を維持していると考えられる。しかし、初期過程のPanx-Nxf2複合体による転写抑制機構は分かっていない。
Panx-Nxf2複合体によるトランスポゾン抑制機構の詳細を解析するため、転写と共役させたドキシサイクリン誘導発現系と人工係留レポーターを組み合わせた実験系を確立した(Takeuchi C and Murano K et al., Methods in Mol Biol 2022)。boxB配列を含む新生鎖mRNA上にラムダN-Nxf2またはラムダN-Panxを係留するとルシフェラーゼ活性が抑制される。本実験系と質量分析法により、新生鎖mRNA上のPanxがSUMO修飾を受けることを見出した。PanxのN末端側に存在する4つリジン残基をアルギニン残基に交換した変異体では、レポーター遺伝子を抑制できなかった。また、SUMOの発現抑制により、係留したPanxによるレポーター遺伝子の抑制効果が解除され、さらにレトロトランスポゾンmdg1が劇的に脱抑制された。以上のことからPanxのSUMO修飾がPiwi-piRNA経路によるトランスポゾン抑制に関与していることが明らかとなった。さらにSUMO修飾E3酵素Su(var)210、Panxとの相互作用が報告されているSov (Small ovary, 複数のSIMドメイン保持)が、Panxを介したトランスポゾン抑制に関与していることがわかってきた。
Transposable elements (TEs) that occupy a considerable part of the genome (more than 40% in humans) have been the driving force of genome evolution through expanding with a "copy and paste" fashion. On the other hand, their expansion disrupts genome function and threatens life. In the Drosophila ovary, the Piwi-piRNA complex plays a critical role in transposon repression. We have identified the Panx-Nxf2 complex as a Piwi interactor and reported that the transposon repression mechanism consists of at least two steps (Murano K et al., EMBO J 2019). In the initial process, the recruited Panx-Nxf2 complex causes transcriptional repression (initiation), and the formation of highly aggregated heterochromatin around the TEs maintains the repressive state at the secondary process. However, the mechanism of transcriptional repression by the Panx-Nxf2 complex during the initial process remains elusive.
To analyze the details of the TE repression mechanism by the Panx-Nxf2 complex, we established a reporter system with a combination of a doxycycline-induced expression system and a lambdaN-boxB tethering system (Takeuchi C and Murano K et al., Methods in Mol Biol 2022). The luciferase activity is suppressed when lambdaN-Nxf2 or lambdaN-Panx is tethered on the nascent mRNA carrying the boxB sequence. Using this reporter system and mass spectrometry, we found that Panx on the nascent mRNA undergoes SUMO modification; a mutant in which the four lysine residues on the N-terminal of Panx were replaced with arginine residues failed to repress the reporter gene. In addition, the SUMO knockdown dampened the repressive effect of Panx and dramatically de-repressed the retrotransposon mdg1. Furthermore, the SUMO-modified E3 enzyme Su(var)210 and Sov (small ovary), which have been reported to interact with Panx, are involved in Panx-mediated TE repression. These results indicate that SUMO modification of Panx is involved in the initial process of TE repression in the Piwi-piRNA pathway.
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