在復雜的人體系統內，時時刻刻都在上演著忙碌的細胞活動：運輸氧氣、吞噬細菌、傳遞神經信號……怎樣保證這些細胞各司其職、井井有條？離不開特殊的“指揮官”——非編碼小RNA。
非編碼小RNA是一類不直接參與蛋白質“轉化”的RNA，包括miRNA、siRNA和piRNA。其中，piRNA在動物生殖細胞發育和生成過程中扮演不可或缺的角色。然而，長期以來，關于piRNA的功能和機制卻一直是個謎團。
西湖大學生命科學學院、西湖實驗室特聘研究員申恩志團隊聯合特聘研究員吳建平團隊，成功揭示了小鼠體內PIWI蛋白（即MILI蛋白），以及其與piRNA協作切割目標RNA的全過程。1月15日，該研究在線發表于《自然》。
論文審稿人給出高度評價：“這些結果闡明了PIWI-piRNA復合物在靶向RNA切割中的分子機制，對理解piRNA介導的基因組保護的分子基礎做出了重要貢獻。”
神秘的“螃蟹剪”
“非編碼小RNA具有強大的調控功能，是近年來生命科學領域的研究熱點。”申恩志告訴《中國科學報》，piRNA就像人體里的衛士，專門在“有害”的RNA上來“一刀”，維持生殖細胞基因組的穩定性和完整性。
其中，轉座子就是piRNA的主要“敵人”，又稱轉座元件或跳躍基因，帶著屬于自己的一段序列，在基因組中自主復制和位移，這種隨意的“跳躍”會導致基因組的不穩定，誘發血友病、癌癥等疾病，因而轉座子一度被稱作“垃圾基因”。
盡管轉座子能夠“偽裝”身份，混入正常RNA中，但“聰明”的piRNA可以通過自身序列，和“有害”轉座子序列進行對比，精準識別“真實身份”。
然而，要想擊敗“敵人”，piRNA還需要一位得力助手——隸屬Argonaute蛋白的PIWI蛋白。
PIWI蛋白像一只大螃蟹，揮舞著兩只“鉗子”，與PIWI蛋白結合形成復合物PIWI-piRNA。在piRNA的“火眼金睛”下，輕松切割目標轉座子RNA，確保正常的生殖細胞發育以及遺傳信息的準確傳遞。
不過，從分子機制的角度而言，PIWI-piRNA的“剪刀”如何完成切割？始終是個未解之謎。
申恩志團隊以小鼠體內MILI蛋白為研究對象，對piRNA如何調控靶向RNA這一基本科學問題，展開了系統研究。他們發現隨著piRNA與靶標轉座子RNA的堿基互補配對增加，PIWI-piRNA復合物逐漸張開右側“鉗子”，匹配到一定程度時，“啪”一下閉合，鎖緊piRNA-靶標RNA雙鏈，此時“螃蟹頭”的U型環起到輔助作用，將雙鏈RNA固定在正確的活性位點，帶有核酸內切酶活性的左側“鉗子”進行精準切割。
“在識別目標RNA過程中，PIWI蛋白經歷了開放、中間、關閉的三種過渡狀態。”申恩志告訴記者，該團隊首次全面闡述了PIWI-piRNA復合物的動態軌跡變化，還發現了對RNA切割催化中心至關重要的新關鍵位點。
“我們發現了piRNA的工作機理，這對生物學功能的研究也有很大的引領和促進作用。”申恩志說，這一成果也有望為相關分子機制研究的延展提供新思路和奠定堅實基礎。
突圍的“后起之秀”
提起piRNA，可能很多人都不太熟悉。但它的兩個“兄弟”——非編碼小RNA家族的miRNA和siRNA，名氣則大得多，分別榮獲2024年和2006年諾貝爾生理學或醫學獎。
作為“明星家族”的重要成員，piRNA的研究之路異常坎坷。
“不同于miRNA和siRNA，尤其是miRNA，自2000年進入研究的井噴時刻，涌現出一批功能和機制研究。”申恩志告訴《中國科學報》。
2006年，在動物生殖細胞中發現一類新的小非編碼RNA，由于能與PIWI家族蛋白相互作用，因此將其命名為piRNA。對其功能和機制的研究都正在探索之中。
2015年，剛剛開始博士后工作的申恩志出于好奇，將目光投向非編碼小RNA，特別是這類特殊的piRNA，由此踏上非編碼小RNA的探索之旅。
“PIWI蛋白廣泛存在于動物體的生殖細胞中，導致對其功能和分子機理的研究極其困難。需要尋找合適的實驗體系和建立有效的實驗方法平臺，才有望取得突破，但是這個過程往往充斥著多次嘗試、失敗和迷茫。”申恩志嘆了口氣，2018年，他利用模式動物秀麗隱桿線蟲，研究了PIWI蛋白與piRNA信號途徑的分子機制，“結合遺傳和分子生物學的方法，我們慢慢對非編碼小RNA領域有了一定認識，當時相關研究發表于《細胞》。”
這一階段性的成果極大提振了申恩志的信心。
2019年，他加入西湖大學生命科學學院，致力于研究小RNA的生物學功能與作用機理。經過兩年的不斷探索，他帶領課題組嘗試了不同的實驗體系和實驗條件，多次嘗試PIWI蛋白的制備，但是實驗體系的建立基本都是失敗的，要么是純度不夠，要么是無法分離部分核酸、裝載piRNA序列，反復的嘗試和失敗，給申恩志團隊澆了一盆盆冷水。
直到2021年，功夫不負有心人，他們終于等來“幸運之神”，成功搭建起了完整的實驗研究體系，為piRNA信號通路的機制研究奠定基礎。
“不過在科研里，問題永遠是一個接一個。”申恩志笑著說，例如，由于PIWI蛋白的切割處于高速動態過程當中，如何揭開RNA被切割的神秘面紗，成了擺在申恩志團隊面前新的難題。
“我們采用生物化學和結構生物學的方法，聯合生命科學學院的吳建平團隊，對該問題進行了攻關。”申恩志說，通過對PIWI-piRNA二元復合物結合靶向RNA的動態構象分析，最終成功“追蹤”PIWI蛋白的三種狀態：開放態、中間態和鎖定態，首次描繪了PIWI-piRNA靶向調節RNA的動態軌跡。
“不試試，怎么知道做不成”
申恩志也沒想到，這條piRNA的研究之旅，一走就是十年。
“目前，我們所發現的也只是冰山一角。”回望十年的探索，申恩志萬分感慨，“在2015年剛接觸piRNA時，很多復雜的問題都有待解決。但你不試試，怎么知道做不成。”
申恩志告訴記者，剛剛接觸這一領域時，許多知識和現象都只能從書本上獲得，盡管有了初步理解，但書中也存在很多“有可能”的不確定內容。
“從科研角度看，一定要找到確切答案。”盡管心里沒底，申恩志仍懷抱著“對科學問題就得追根問底”的態度，勇敢踏上科研探索之旅。
“復雜生命是怎樣出現的，我們該如何理解治病、治療疾病，為非編碼小RNA在這些方面具有重要作用。”申恩志告訴記者，但生物體非常復雜，有幾十萬乃至上百萬的不同RNA分子，它們匹配的具體機制是什么樣？在此過程中，其他蛋白是否發揮作用？
揣著這些疑問，申恩志帶領團隊正在一步步摸索，嘗試使用各種不同的學科方法，建立了新的生物學研究體系，努力揭開piRNA的神秘面紗。
從2015年的“小白”，從不同視角逐漸摸索，到現在形成了了初步認識，申恩志笑稱，“這段研究之旅就像爬山，起初只是出于好奇，但在摸索過程中，發現這條路越來越長，一眼望不到頭，在逼近極限時突然看到山頂的影子，才真正領悟到大自然的奧秘。”
如今，申恩志團隊攀登的腳步也并未停歇。
“我們最終目標是更好地理解這種非編碼小RNA的機制及其生物學功能，并希望能夠更好地把這種理解變成實際的應用。”申恩志舉了個例子，RNA本質上正是一種核酸，而近些年核酸藥物的出現也讓申恩志團隊看到了轉化應用的曙光。
但無論前行是否坎坷，申恩志始終堅信，“不能別人說什么就是什么，必須自己嘗試，才能有最真實的體會。”
相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-024-08438-1
申恩志（后排左五）及課題組（課題組供圖）
本文鏈接：切割RNA！“螃蟹剪”成基因組“維穩斗士”http://m.lensthegame.com/show-11-16599-0.html
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