切割RNA！“螃蟹剪”成基因组“维稳斗士”。 在复杂的人体系统内，时时刻刻都在上演着忙碌的细胞活动：运输氧气、吞噬细菌、传递神经信号……怎样保证这些细胞各司其职、井井有条？离不开特殊的指挥官——非编码小RNA。
非编码小RNA是一类不直接参与蛋白质转化的RNA，包括miRNA、siRNA和piRNA。其中，piRNA在动物生殖细胞发育和生成过程中扮演不可或缺的角色。然而，长期以来，关于piRNA的功能和机制却一直是个谜团。
西湖大学生命科学学院、西湖实验室特聘研究员申恩志团队联合特聘研究员吴建平团队，成功揭示了小鼠体内PIWI蛋白（即MILI蛋白），以及其与piRNA协作切割目标RNA的全过程。1月15日，该研究在线发表于《自然》。
论文审稿人给出高度评价：这些结果阐明了PIWI-piRNA复合物在靶向RNA切割中的分子机制，对理解piRNA介导的基因组保护的分子基础做出了重要贡献。
神秘的螃蟹剪
非编码小RNA具有强大的调控功能，是近年来生命科学领域的研究热点。申恩志告诉《中国科学报》，piRNA就像人体里的卫士，专门在有害的RNA上来一刀，维持生殖细胞基因组的稳定性和完整性。
其中，转座子就是piRNA的主要敌人，又称转座元件或跳跃基因，带着属于自己的一段序列，在基因组中自主复制和位移，这种随意的跳跃会导致基因组的不稳定，诱发血友病、癌症等疾病，因而转座子一度被称作垃圾基因。
尽管转座子能够伪装身份，混入正常RNA中，但聪明的piRNA可以通过自身序列，和有害转座子序列进行对比，精准识别真实身份。
然而，要想击败敌人，piRNA还需要一位得力助手——隶属Argonaute蛋白的PIWI蛋白。
PIWI蛋白像一只大螃蟹，挥舞着两只钳子，与PIWI蛋白结合形成复合物PIWI-piRNA。在piRNA的火眼金睛下，轻松切割目标转座子RNA，确保正常的生殖细胞发育以及遗传信息的准确传递。
不过，从分子机制的角度而言，PIWI-piRNA的剪刀如何完成切割？始终是个未解之谜。
申恩志团队以小鼠体内MILI蛋白为研究对象，对piRNA如何调控靶向RNA这一基本科学问题，展开了系统研究。他们发现随着piRNA与靶标转座子RNA的碱基互补配对增加，PIWI-piRNA复合物逐渐张开右侧钳子，匹配到一定程度时，啪一下闭合，锁紧piRNA-靶标RNA双链，此时螃蟹头的U型环起到辅助作用，将双链RNA固定在正确的活性位点，带有核酸内切酶活性的左侧钳子进行精准切割。
在识别目标RNA过程中，PIWI蛋白经历了开放、中间、关闭的三种过渡状态。申恩志告诉记者，该团队首次全面阐述了PIWI-piRNA复合物的动态轨迹变化，还发现了对RNA切割催化中心至关重要的新关键位点。
我们发现了piRNA的工作机理，这对生物学功能的研究也有很大的引领和促进作用。申恩志说，这一成果也有望为相关分子机制研究的延展提供新思路和奠定坚实基础。
突围的后起之秀
提起piRNA，可能很多人都不太熟悉。但它的两个兄弟——非编码小RNA家族的miRNA和siRNA，名气则大得多，分别荣获2024年和2006年诺贝尔生理学或医学奖。
作为明星家族的重要成员，piRNA的研究之路异常坎坷。
不同于miRNA和siRNA，尤其是miRNA，自2000年进入研究的井喷时刻，涌现出一批功能和机制研究。申恩志告诉《中国科学报》。
2006年，在动物生殖细胞中发现一类新的小非编码RNA，由于能与PIWI家族蛋白相互作用，因此将其命名为piRNA。对其功能和机制的研究都正在探索之中。
2015年，刚刚开始博士后工作的申恩志出于好奇，将目光投向非编码小RNA，特别是这类特殊的piRNA，由此踏上非编码小RNA的探索之旅。
PIWI蛋白广泛存在于动物体的生殖细胞中，导致对其功能和分子机理的研究极其困难。需要寻找合适的实验体系和建立有效的实验方法平台，才有望取得突破，但是这个过程往往充斥着多次尝试、失败和迷茫。申恩志叹了口气，2018年，他利用模式动物秀丽隐杆线虫，研究了PIWI蛋白与piRNA信号途径的分子机制，结合遗传和分子生物学的方法，我们慢慢对非编码小RNA领域有了一定认识，当时相关研究发表于《细胞》。
这一阶段性的成果极大提振了申恩志的信心。
2019年，他加入西湖大学生命科学学院，致力于研究小RNA的生物学功能与作用机理。经过两年的不断探索，他带领课题组尝试了不同的实验体系和实验条件，多次尝试PIWI蛋白的制备，但是实验体系的建立基本都是失败的，要么是纯度不够，要么是无法分离部分核酸、装载piRNA序列，反复的尝试和失败，给申恩志团队浇了一盆盆冷水。
直到2021年，功夫不负有心人，他们终于等来幸运之神，成功搭建起了完整的实验研究体系，为piRNA信号通路的机制研究奠定基础。
不过在科研里，问题永远是一个接一个。申恩志笑着说，例如，由于PIWI蛋白的切割处于高速动态过程当中，如何揭开RNA被切割的神秘面纱，成了摆在申恩志团队面前新的难题。
我们采用生物化学和结构生物学的方法，联合生命科学学院的吴建平团队，对该问题进行了攻关。申恩志说，通过对PIWI-piRNA二元复合物结合靶向RNA的动态构象分析，最终成功追踪PIWI蛋白的三种状态：开放态、中间态和锁定态，首次描绘了PIWI-piRNA靶向调节RNA的动态轨迹。
不试试，怎么知道做不成
申恩志也没想到，这条piRNA的研究之旅，一走就是十年。
目前，我们所发现的也只是冰山一角。回望十年的探索，申恩志万分感慨，在2015年刚接触piRNA时，很多复杂的问题都有待解决。但你不试试，怎么知道做不成。
申恩志告诉记者，刚刚接触这一领域时，许多知识和现象都只能从书本上获得，尽管有了初步理解，但书中也存在很多有可能的不确定内容。
从科研角度看，一定要找到确切答案。尽管心里没底，申恩志仍怀抱着对科学问题就得追根问底的态度，勇敢踏上科研探索之旅。
复杂生命是怎样出现的，我们该如何理解治病、治疗疾病，为非编码小RNA在这些方面具有重要作用。申恩志告诉记者，但生物体非常复杂，有几十万乃至上百万的不同RNA分子，它们匹配的具体机制是什么样？在此过程中，其他蛋白是否发挥作用？
揣着这些疑问，申恩志带领团队正在一步步摸索，尝试使用各种不同的学科方法，建立了新的生物学研究体系，努力揭开piRNA的神秘面纱。
从2015年的小白，从不同视角逐渐摸索，到现在形成了了初步认识，申恩志笑称，这段研究之旅就像爬山，起初只是出于好奇，但在摸索过程中，发现这条路越来越长，一眼望不到头，在逼近极限时突然看到山顶的影子，才真正领悟到大自然的奥秘。
如今，申恩志团队攀登的脚步也并未停歇。
我们最终目标是更好地理解这种非编码小RNA的机制及其生物学功能，并希望能够更好地把这种理解变成实际的应用。申恩志举了个例子，RNA本质上正是一种核酸，而近些年核酸药物的出现也让申恩志团队看到了转化应用的曙光。
但无论前行是否坎坷，申恩志始终坚信，不能别人说什么就是什么，必须自己尝试，才能有最真实的体会。（来源：中国科学报 赵宇彤）
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-024-08438-1
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申恩志（后排左五）及课题组（课题组供图）
作者：申恩志等 来源：《自然》
