PIWI蛋白是Argonaute蛋白家族亚家族成员，特异地在动物生殖系细胞(germline)中表达，为动物生殖细胞发育分化所必需。piRNA是新近在动物生殖系细胞中发现的一类非编码小分子RNA，因它们特异地与PIWI家族蛋白相互作用，所以被称为PIWI相互作用RNA(PIWI-interacting RNA)，简称piRNA。最近的研究表明，piRNA起源于基因组中反转座子、重复序列及其它被称为piRNA簇的区域，推测piRNA可能通过在表观遗传水平和转录后水平沉默转座子、反转座子等基因组移动遗传元件，维持生殖细胞自身基因组的稳定性和完整性，在配子形成过程中发挥重要作用。小鼠的PIWI蛋白家族有三个成员:MIWI、MILI及MIWI2，它们特异地在雄性生殖细胞的发育分化过程时序性地表达;与其对应，piRNA也分别在小鼠出生前后及减数分裂前后出现两次表达高峰，分别被称为前粗线期piRNA与粗线期piRNA。目前，领域内对PIWI/piRNA“机器”的生成和功能机制已有较多的了解，但对于piRNA通路自身的代谢调控还几乎完全未知。同时，已有证据表明，前粗线期piRNA主要以“乒乓循环”机制加工产生，通过表观遗传水平沉默早期生精细胞的转座子、反转座子等基因组移动遗传元件，维持生殖细胞正常发育分化;然而，对于粗线期piRNA的产生机制及其生物学功能，目前还并不清除。鉴于此，本博士学位研究论文围绕以上这两个领域内的重要科学问题展开研究，以小鼠PIWI家族成员MIWI及粗线期piRNA为主要研究对象，结合多种分子生物学、细胞生物学、生殖生物学及生物信息学的手段和方法，探索了PIWI/piRNA的代谢调控机制，调查了粗线期piRNA的生物学功能和作用机制，揭示了PIWI/piRNA在哺乳动物雄性生殖细胞发育分化及精子发生过程中的功能机制。　　在对MIWI/piRNA的代谢调控机制研究中，本博士学位论文通过系统性的研究发现，在小鼠后期精子细胞中，piRNA与MIWI高度结合，诱导MIWI蛋白构象发生变化，促进MIWI被APC/C泛素连接酶复合物的底物结合亚基APC10识别和结合，进而导致MIWI被泛素化修饰，并最终通过蛋白酶小体途径降解;同时，piRNA在启动MIWI（后期精子细胞中唯一的PIWI蛋白）降解后，即使得piRNA失去了PIWI蛋白的保护，最终也被降解清除。有趣的是，我们发现，稳定后期精子细胞中MIWI蛋白将导致精子成熟受阻。这些实验结果揭示了MIWI与piRNA在精子细胞发育后期以一种协同模式清除的机制;更为重要的是，我们还发现在小鼠生精细胞发育后期，适时调控MIWI/piRNA的代谢可能对精子成熟具有重要的生物学意义。　　随后，本博士学位论文进一步研究了MIWI蛋白在小鼠后期精子细胞中降解代谢的生物学意义，并对男性不育症患者临床样本进行了人源Piwi(Hiwi)的相关突变位点筛查，以期拓展前期的研究发现并探索其临床生物学意义及潜在的临床应用价值。通过对男性无精、少弱精症患者临床样本的大规模筛查，我们发现了3例患者的Hiwi基因D-box元件存在germline遗传性突变。生化实验分析表明，这些突变均严重抑制了HIWI的泛素化修饰及降解。通过转基因小鼠模型，我们证明突变D-box元件致后期精子细胞中MIWI稳定存在，将导致小鼠雄性不育，且精子发生阻滞在精子成熟期、附睾中无成熟精子。这些实验数据证明了PIWI在哺乳动物后期精子细胞中的适时清除对精子成熟至关重要，并揭示了一种人类无精症发生的病理机制。　　此外，本博士学位论文还探索了粗线期piRNA的功能机制。我们发现，在小鼠延长形精子细胞中，粗线期piRNA与MIWI蛋白及脱腺苷酸酶CAF1组成三元复合物，通过不完全碱基配对方式识别靶mRNA3非翻译区(3UTR)的序列元件，以类似于miRNA的作用机制诱导靶mRNA脱腺苷酸及降解。根据实验结果，我们提出了“CAF1/MIWI/piRNA介导精子细胞发育后期mRNA降解”的作用模型:即piRNA利用其序列的多样性靶向延长形精子细胞中种类繁多的mRNA，通过脱腺苷酸的方式对其进行降解和清除。这一研究工作不仅为精子细胞发育后期mRNA的降解代谢提供了新的分子机制，同时也揭示了粗线期piRNA的生物学功能及作用机制。