2019年12月12日，中国科学院分子细胞科学卓越创新中心刘默芳研究组、武汉大学生命科学学院周宇课题组和我所施惠娟团队合作的文章“A Translation-Activating Function of MIWI/piRNA during Mouse Spermiogenesis”在国际学术期刊《Cell》（细胞）上发表。该研究报道了精子细胞内的MIWI（小鼠PIWI）/piRNA复合体可作为蛋白质生产的调控“机器”，激活小鼠精子细胞中蛋白质的翻译，保障功能性精子的生成，揭示了MIWI/piRNA的一种全新功能。
       在精子细胞演变为精子的过程中，随着精子细胞的变形和细胞核的压缩，基因转录活动将逐渐减少直至完全停止，那些精子细胞后期阶段发育所需的基因都需要提前转录为mRNA（信使核糖核酸，把遗传信息从DNA传递到蛋白质的信使），然后以翻译抑制状态储存在精子细胞中，直到特定发育阶段再被激活翻译，合成蛋白质从而发挥作用，这就是精子形成过程中经典的“转录-翻译解偶联”现象。但如何让“停工”进入“仓库”的mRNA重启进入工作状态是生殖生物学中一个难题。
       已有的研究发现，PIWI蛋白主要在动物生殖系统中表达，对于动物生殖细胞的分化发育至关重要，而PIWI蛋白功能的发挥离不开一类动物生殖细胞特异性小分子非编码RNA——piRNA的参与，PIWI/piRNA复合体维持了生殖细胞基因组的稳定性和完整性，同时还可以在转录后水平负调控蛋白编码基因的表达。
       为了探究这一新发现的翻译激活机制是否的确参与了精子细胞中的基因表达，他们首先分析了小鼠精母细胞（经成熟分裂形成单倍体精细胞）和单倍体（具有配子染色体的细胞或个体）精子细胞中靶基因（目的基因）mRNA和蛋白的表达，发现MIWI/piRNA靶基因受控于“转录-翻译解偶联”调控，并证明MIWI、HuR（蛋白质因子）以及MIWI-eIF3f（真核生物翻译起始因子）相互作用为这些靶基因的蛋白翻译提供必需。进一步，通过核糖体印迹测序技术（指对被核糖体保护的mRNA片段进行深度测序分析，是目前研究翻译组学的主要技术手段之一）和定量蛋白组分析（把一个基因组表达的全部蛋白质或一个复杂的混合体系中所有的蛋白质进行精确的定量和鉴定），他们发现精子细胞中有一大群mRNA的翻译可能都受控于MIWI/piRNA，显示这种新发现的MIWI/piRNA调控作用广泛参与精子细胞中的mRNA翻译激活过程。
       为探索该MIWI/piRNA新调控作用的生物学功能，围绕对顶体（精子头的顶端特化的小泡）组装至关重要的两个靶基因Agfg1和Tbpl1（piRNA的靶基因），研究人员发现从MIWI敲低（基因被抑制表达）精子细胞（指这个精子细胞是MIWI敲低表达的，即MIWI敲低的精子细胞。MIWI敲低后，这两个基因表达异常）衍生而来的精子发生了严重的顶体缺陷，而通过在MIWI敲低精子细胞中恢复Agfg1和Tbpl1的表达，有效拯救了精子的顶体缺陷，证明MIWI/piRNA介导的翻译激活作用至少为精子细胞发育过程中的顶体组装提供必需。
       据不完全统计，我国近20年不孕不育率从6.9% 升至17.1%，其中近50%是男性因素导致。环境污染、生活压力、遗传突变等因素是造成男性不育的重要原因，但目前还有一半以上不育男性无法明确其病因。刘默芳研究组与施惠娟研究组曾合作在男性不育症患者中鉴定到一类拮抗人PIWI蛋白泛素化修饰的PIWI基因突变，并证明此类突变通过影响精子形成后期组蛋白-鱼精蛋白交换而导致精子形成受阻，首次证明了PIWI基因突变与男性不育相关。当前这项研究工作发现MIWI/piRNA介导精子细胞中翻译激活，不仅为解析精子形成过程中“转录-翻译解偶联”谜团提供了新线索，还将有助于解析精子形成障碍的致病机理，并为相关男性不育症的相关诊断治疗提供理论依据和方法技术。
       该项成果受到国家科技部、国家自然科学基金委员会等的经费支持。