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當你讀到這行字時，體內各色各樣的細胞正在兢兢業業地工作著：視網膜細胞將捕捉到的光線轉為神經信號，大腦細胞接收信號后進行處理與理解，肌肉細胞讓眼球轉動、手部操作手機等動作成為可能，心臟細胞、紅細胞等則負責保持你的營養與氧氣供給……

為什么細胞們能夠各司其職，不會發生混亂或者“越權”？這一切都得益于一類“指揮官”：非編碼小RNA，簡稱小RNA。它包括miRNA、siRNA、piRNA。前兩種小RNA相關的科學發現已摘得了諾貝爾獎，申恩志團隊的最新成果，則與人類最晚發現、相較最為陌生的第三種piRNA有關！

北京時間2025年1月15日24時，西湖大學生命科學學院、西湖實驗室申恩志團隊聯合吳建平團隊在Nature雜志上在線發表了題為“Structural insights into RNA cleavage by PIWI Argonaute”的研究成果。他們看清了“RNA剪刀”切割全過程，揭示了小鼠體內PIWI蛋白（即MILI蛋白）的結構以及它如何與piRNA協作切割目標RNA。

01

DNA說明書，諾獎垂青的RNA指揮官

無論是這幾年風頭無兩的MBTI十六型人格測試，還是常青的星座解讀，我們總是試圖通過各種方式更了解自己、理解他人。

其實，我們每個人生來都自帶了“說明書”，它就在我們身上，在每一顆細胞的染色體里：DNA（基因組），即遺傳信息。你從“身體發膚”中取出任意一顆細胞，都能獲得這本“說明書”。因為同一個人、同一個生命體的所有細胞，都含有相同的染色體、同樣的DNA基因組。

雖然細胞們手上都有這本完全相同的說明書，但它們卻能做不同的事情，你在閱讀這篇文章的時候，有的細胞負責保證你的呼吸，有的細胞則負責讓你可以思考。這是怎么辦到的？

原來，細胞們只會選擇與自己“本職工作”有關的部分進行“閱讀”，然后完成相應的使命。而負責精準調控細胞該“讀什么”的，正是一類“指揮官”：非編碼小RNA。

這個名字看著有點拗口，其實非常好理解?；氐轿覀兊闹袑W課本“中心法則”的定義：遺傳信息從DNA傳遞給RNA，再從RNA傳遞給蛋白質，完成遺傳信息的轉錄和翻譯。過往，我們常常提到的RNA，參與的正是這種蛋白質編碼的過程。而非編碼小RNA，名符其實，是一類不直接參與蛋白質“轉化”的RNA；因為它們在長度上特別短小，所以叫作“小RNA”。

它就像一個小小“指揮官”，引導細胞閱讀DNA基因組“說明書”中“該讀”的部分，允許每個細胞只選擇與自身特性相關的一些基因來表達、產生特定的mRNA、再把這些mRNA翻譯成蛋白質，從而確保不同細胞產生不同的蛋白質，發揮其特有的生物學功能。

這個過程，其實是“家族事業”。如前文所述，非編碼小RNA有“三兄弟”，包括miRNA、siRNA、piRNA。miRNA告訴細胞不要讀某些部分；siRNA幫助細胞刪除一些錯誤的信息；piRNA在生殖細胞中特別重要，幫助保護細胞不受壞信息的干擾。“三兄弟”一起協作，保障了細胞閱讀的正確性。在剛剛過去的2024年，第一位miRNA的發現者Victor Ambros因描述了這種新的基因調控途徑，而被授予諾貝爾生理學或醫學獎。更早一些，在2006年，Victor Ambros的學生Craig Mello，也因為siRNA的發現（它所介導的RNA干擾機制是一種基因沉默現象）、被授予了2006年諾貝爾生理學或醫學獎。

如果你看過PI申恩志的履歷，或許會對Craig Mello這個名字有些眼熟：他正是申恩志在麻省大學醫學院做博后期間的導師。而申恩志自那時起延續至西湖的研究興趣和研究對象，就是這個家族中最晚被發現的“小兄弟”：piRNA。

02

piRNA：若想“生生不息”，與它息息相關

2006年，人類發現了piRNA；然而直到9年后，申恩志開始博后工作時，這類小RNA身上依然充滿著未解之謎。

大家都知道，它很重要——piRNA在動物生殖細胞發育和生成過程中發揮重要作用。所謂的生殖細胞，就是精子與卵子。

大家也已經知道，它像個保家衛國的“戰士”——piRNA的重要功用之一，是充當“RNA之剪”，專門在“有害”的RNA上來“一刀”，讓它無法再發揮功用。

要了解這把“剪刀”，涉及到兩個新角色：轉座子和PIWI蛋白。

在人類基因組測序完成后，人們驚訝地發現，序列中參與到編碼蛋白的DNA僅占2%，其余區域都不參與編碼。更驚奇的是，其中有一類特殊的DNA序列，具有在基因組內自主復制和移動的能力，可能“跳”到同一個染色體的不同位置，也可能“跳”到不同的染色體上。這種會“跳躍”的序列，即轉座子，它在DNA中的占比達到了50%。

具體來講，有兩種轉座子。一種是“剪切-黏貼”的DNA轉座子——從原有位置直接剪切下來插入到新的位置。另一種是“復制-黏貼”的逆轉錄轉座子——原有位置的轉座子DNA轉錄為RNA，再逆轉錄成新拷貝的DNA插入到基因組的新位置——這種轉座子更為常見，在整個基因組中占到了40%以上。

總之，轉座子在混沌的基因池里不斷地游蕩，帶著屬于自己的一段序列跳躍定居。這種隨意的“跳躍”與插入，會給基因組造成不穩定、導致疾病，因而轉座子一度被稱作“垃圾基因”。盡管科學家們已發現，這些由轉座子產生的新突變，從更長的時間軸來看，對物種進化可能是有積極意義的，但這不改變大面上它依然是有害的。

piRNA的刀鋒，正瞄準逆轉錄轉座子的RNA。這類轉座子需要歷經“DNA-RNA-DNA”的過程才能在新位置定居，而piRNA能在它尚處于RNA階段時候，就識別出對方，“砍”斷RNA，使得后續的轉錄和插入化為泡影；換句話說，piRNA就像個保家衛國的“衛士”，也像一種免疫系統，能夠精準識別有害的轉座子，將對方“滅活”，從而保衛生殖細胞。

不過，僅僅是piRNA，是無法完成這場戰斗的。事實上，所有非編碼小RNA都需要一位“幫手”與之結合，來完成工作。對于piRNA而言，它，就是隸屬Argonaute蛋白的PIWI蛋白。

piRNA與PIWI蛋白結合后，成為一個復合物，會與特定的RNA結合，發生“剪刀”式的切割。PIWI蛋白就是那把具體的剪刀，可以根據piRNA的“指示”，在特定的RNA（即我們所稱的靶標RNA）的中間來一刀。

申恩志給我們詳細解釋了這個過程。如果我們能把自己縮得無限小，進入細胞里面近距離觀察“piRNA+PIWI蛋白”找到目標RNA并結合的全過程，會發現它很像拉拉鏈：RNA是一條長鏈，而piRNA+PIWI蛋白的復合物會先從RNA的一端開始，一個個“齒”結合上去，逐步確認面前的這個RNA就是它找的目標，當拉鏈拉到頭后，就會在這條拉鏈中間剪斷，使之不再能運作。

當然，“拉拉鏈”只是一個模糊的概況，具體這些piRNA“戰士”如何能找到想找的RNA？它和PIWI蛋白如何能具體辦到“剪刀”的功能、如何實現了“保家衛國”？人類依然知之甚少。

03

柳暗花明終有時

2015年，被piRNA未解之謎深深吸引的申恩志，投入了麻省大學醫學院RNA治療研究所、諾貝爾獎得主Craig C. Mello實驗室，從事博士后研究，研究方向也從原本的衰老轉向了要從頭開始學的piRNA。那時候他不曾料想到，這條探索之路一走就是十年。

難點在哪里？首先是如何實現人工表達獲得PIWI蛋白。一方面，這類蛋白存在于生殖細胞中，而像卵子精子這樣的生殖細胞，本身就很難人工表達獲得；另一方面，就算獲得了，PIWI蛋白上可能也已經結合上了piRNA或者其它RNA片段（這個過程非常迅速），很難獲得純PIWI蛋白。

從博士后到2019年加入西湖大學生命科學學院，申恩志和他的課題組一直致力于研究小RNA的生物學功能與作用機理。本文一作之一、博后李之清，是申恩志在西湖招收的第一批博士生。在很長一段時間里，他們嘗試了不同的細胞表達體系，結果都是失敗的。經過近兩年的不斷探索和嘗試，直到2021年，“幸運之神”終于降臨，他們獲得了較為理想的、有切割能力和活性的PIWI蛋白，終于搭建起了全新的實驗研究體系，為整個piRNA信號通路的研究，奠定了堅實的基礎。

第二個難點接踵而至。拱門上關鍵的“拱頂石”雖已取得，但回到過程本身，RNA被切割的過程變化迅速、高度動態，我們如何看得清？

申恩志團隊想到了生命科學的“超級顯微鏡”：結構生物學。在這個領域，西湖大學擁有一批世界最優秀的科學家。他立即聯合同在生命科學學院的吳建平團隊，制定針對性的策略。還記得拉鏈的比喻嗎？既然單看一條“拉鏈”難以看清，那么就分步驟，從短到長、把不同長度的“拉鏈”（即RNA）都“拉”一回，綜合觀察該過程中的結構變化。研究人員獲取了PIWI-piRNA二元復合物，分別與不同長度的靶標RNA結合，分步解析瞬息萬變的切割過程。

略去復雜的專業性過程不表，總之，他們觀察到了一系列構象，并識別出了MILI蛋白三種不同的過渡狀態：開放（即打開）、中間、關閉（即鎖定）。比擬來說，在辨識和結合目標RNA過程中，MILI蛋白就像一只手，先逐漸張大，然后握住目標對象，最后完成切割。同時，他們發現和鑒定了新的RNA切割催化中心關鍵位點。

圖1：piRNA結合靶向RNA分子的動態變化過程

圖：切割RNA的關鍵位點鑒定

更進一步，他們還發現了GTSF1小蛋白的存在，能加速這把剪刀“閉攏”、完成最后的切割。GTSF1是一種保守的配子細胞特異的鋅指蛋白，對于piRNA的功能和多種生物的生育能力至關重要。

當然，這個格局龐大的敘事遠遠還沒有講完。申恩志的腦海里，有一幅關于piRNA的清晰“行動綱要”。

“我們最終目標還是更好地理解這種小的調控型的RNA的機制，以及它的生物學功能，并希望能夠更好地把這種機理理解變成實際的應用?！北举|上，RNA正是一種核酸；近些年，新冠核酸疫苗、核酸藥物的出現，讓申恩志這樣致力于挖掘核酸背后機理的科學家，看到了轉化應用的曙光。

其實，圍繞piRNA這個核心興趣點，這次“對癥下藥”的解結構，僅僅是申恩志“破題”此類小RNA的研究手段之一。如他的官網主頁所述的，這個課題組致力于使用不同的實驗手段（分子生物學、生物化學、分析化學、生物信息學和遺傳學等），來研究非編碼RNA的分子機制和生理功能以及在重大疾病發生中的作用。

在這次的研究中，除了吳建平，你還可以在署名欄中找到另外2位來自不同研究領域的PI——同在生命科學學院的甄瑩和黃晶。申恩志說，關于這個課題，他和這兩位同事分別討論過進化和分子動力學模擬方面的問題。盡管本次沒有擦出“火花”，可誰又能說，其中沒有埋藏今后的科學靈感呢？

申恩志一直記得博后時初識piRNA的心路歷程，特別像在爬山，起步于好奇，而后發現這條路越來越長、越爬越驚奇，一眼看不到頭。在逼近極限的時候，突然，能慢慢看到山頂，感受大自然色彩之美。

這艱難而漂亮的一役，增強了師生們繼續在piRNA世界中探索的信心。此刻，他們已然向著下一座山、再下一座山，進發了。

該工作主要由西湖大學博士后李之清、博士生許祺奎、博士生仲憬、科研助理張艷、博士生張天翔、博士生應效澤等成員共同完成。西湖大學特聘研究員申恩志、吳建平是本研究論文的共同通訊作者。該研究得到西湖大學黃晶團隊、甄瑩團隊、以及美國杜克大學張釗研究員的大力幫助。同時，感謝西湖大學冷凍電鏡平臺、高性能計算中心、高通量平臺提供的技術支持。課題受到了國家自然科學基金、西湖實驗室（生命科學和生物醫學浙江省實驗室）以及西湖教育基金會的資助；課題實施過程中還得到了西湖大學高性能計算中心的大力支持。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-024-08438-1

https://www.westlake.edu.cn/news_events/westlakenews/academics/202501/t20250116_52442.shtml

來源：生物谷

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