来源：西湖大学申恩志实验室
当你读到这行字时，体内各色各样的细胞正在兢兢业业地工作着：视网膜细胞将捕捉到的光线转为神经信号，大脑细胞接收信号后进行处理与理解，肌肉细胞让眼球转动、手部操作手机等动作成为可能，心脏细胞、红细胞等则负责保持你的营养与氧气供给 ……
为什么细胞们能够各司其职，不会发生混乱或者 「 越权 」？这一切都得益于一类 「 指挥官 」：非编码小 RNA，简称小 RNA。它包括 miRNA、siRNA、piRNA。前两种小 RNA 相关的科学发现已摘得了诺贝尔奖，申恩志团队的最新成果，则与人类最晚发现、相较最为陌生的第三种 piRNA 有关 ——
北京时间 2025 年 1 月 15 日 24 时，西湖大学生命科学学院、西湖实验室申恩志团队联合吴建平团队在 Nature 杂志上在线发表了题为 「Structural insights into RNA cleavage by PIWI Argonaute」 的研究成果。他们看清了 「RNA 剪刀 」 切割全过程，揭示了小鼠体内 PIWI 蛋白（即 MILI 蛋白）的结构以及它如何与 piRNA 协作切割目标 RNA。
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-024-08438-1
论文截图
01
DNA 说明书
诺奖垂青的 RNA 指挥官
无论是这几年风头无两的 MBTI 十六型人格测试，还是常青的星座解读，我们总是试图通过各种方式更了解自己、理解他人。
其实，我们每个人生来都自带了 「 说明书 」，它就在我们身上，在每一颗细胞的染色体里：DNA（基因组），即遗传信息。你从 「 身体发肤 」 中取出任意一颗细胞，都能获得这本 「 说明书 」。因为同一个人、同一个生命体的所有细胞，都含有相同的染色体、同样的 DNA 基因组。
虽然细胞们手上都有这本完全相同的说明书，但它们却能做不同的事情，你在阅读这篇文章的时候，有的细胞负责保证你的呼吸，有的细胞则负责让你可以思考。这是怎么办到的？
原来，细胞们只会选择与自己 「 本职工作 」 有关的部分进行 「 阅读 」，然后完成相应的使命。而负责精准调控细胞该 「 读什么 」 的，正是一类 「 指挥官 」：非编码小 RNA。
这个名字看着有点拗口，其实非常好理解。回到我们的中学课本 「 中心法则 」 的定义：遗传信息从 DNA 传递给 RNA，再从 RNA 传递给蛋白质，完成遗传信息的转录和翻译。过往，我们常常提到的 RNA，参与的正是这种蛋白质编码的过程。而非编码小 RNA，名符其实，是一类不直接参与蛋白质 「 转化 」 的 RNA；因为它们在长度上特别短小，所以叫作 「 小 RNA」。
它就像一个小小 「 指挥官 」，引导细胞阅读 DNA 基因组 「 说明书 」 中 「 该读 」 的部分，允许每个细胞只选择与自身特性相关的一些基因来表达、产生特定的 mRNA、再把这些 mRNA 翻译成蛋白质，从而确保不同细胞产生不同的蛋白质，发挥其特有的生物学功能。
这个过程，其实是 「 家族事业 」。如前文所述，非编码小 RNA 有 「 三兄弟 」，包括 miRNA、siRNA、piRNA。miRNA 告诉细胞不要读某些部分；siRNA 帮助细胞删除一些错误的信息；piRNA 在生殖细胞中特别重要，帮助保护细胞不受坏信息的干扰。「 三兄弟 」 一起协作，保障了细胞阅读的正确性。在刚刚过去的 2024 年，第一位 miRNA 的发现者 Victor Ambros 因描述了这种新的基因调控途径，而被授予诺贝尔生理学或医学奖。更早一些，在 2006 年，Victor Ambros 的学生 Craig Mello，也因为 siRNA 的发现（它所介导的 RNA 干扰机制是一种基因沉默现象）、被授予了 2006 年诺贝尔生理学或医学奖。
如果你看过 PI 申恩志的履历，或许会对 Craig Mello 这个名字有些眼熟：他正是申恩志在麻省大学医学院做博后期间的导师。而申恩志自那时起延续至西湖的研究兴趣和研究对象，就是这个家族中最晚被发现的 「 小兄弟 」：piRNA。
2019 年 11 月 5 日，2006 年诺贝尔生理学或医学奖获得者、麻省大学医学院分子医学教授 Craig Mello 做客了西湖大学的西湖名师论坛活动，讲述了 RNA 记忆和遗传与不朽之谜的故事。
02
piRNA：
若想 「 生生不息 」，与它息息相关
2006 年，人类发现了 piRNA；然而直到 9 年后，申恩志开始博后工作时，这类小 RNA 身上依然充满着未解之谜。
大家都知道，它很重要 ——piRNA 在动物生殖细胞发育和生成过程中发挥重要作用。所谓的生殖细胞，就是精子与卵子。
大家也已经知道，它像个保家卫国的 「 战士 」——piRNA 的重要功用之一，是充当 「RNA 之剪 」，专门在 「 有害 」 的 RNA 上来 「 一刀 」，让它无法再发挥功用。
要了解这把 「 剪刀 」，涉及到两个新角色：转座子和 PIWI 蛋白。
在人类基因组测序完成后，人们惊讶地发现，序列中参与到编码蛋白的 DNA 仅占 2%，其余区域都不参与编码。更惊奇的是，其中有一类特殊的 DNA 序列，具有在基因组内自主复制和移动的能力，可能 「 跳 」 到同一个染色体的不同位置，也可能 「 跳 」 到不同的染色体上。这种会 「 跳跃 」 的序列，即转座子，它在 DNA 中的占比达到了 50%。
具体来讲，有两种转座子。一种是 「 剪切-黏贴 」 的 DNA 转座子 —— 从原有位置直接剪切下来插入到新的位置。另一种是 「 复制-黏贴 」 的逆转录转座子 —— 原有位置的转座子 DNA 转录为 RNA，再逆转录成新拷贝的 DNA 插入到基因组的新位置 —— 这种转座子更为常见，在整个基因组中占到了 40% 以上。
总之，转座子在混沌的基因池里不断地游荡，带着属于自己的一段序列跳跃定居。这种随意的 「 跳跃 」 与插入，会给基因组造成不稳定、导致疾病，因而转座子一度被称作 「 垃圾基因 」。尽管科学家们已发现，这些由转座子产生的新突变，从更长的时间轴来看，对物种进化可能是有积极意义的，但这不改变大面上它依然是有害的。
piRNA 的刀锋，正瞄准逆转录转座子的 RNA。这类转座子需要历经 「DNA-RNA-DNA」 的过程才能在新位置定居，而 piRNA 能在它尚处于 RNA 阶段时候，就识别出对方，「 砍 」 断 RNA，使得后续的转录和插入化为泡影；换句话说，piRNA 就像个保家卫国的 「 卫士 」，也像一种免疫系统，能够精准识别有害的转座子，将对方 「 灭活 」，从而保卫生殖细胞。
不过，仅仅是 piRNA，是无法完成这场战斗的。事实上，所有非编码小 RNA 都需要一位 「 帮手 」 与之结合，来完成工作。对于 piRNA 而言，它，就是隶属 Argonaute 蛋白的 PIWI 蛋白。
piRNA 与 PIWI 蛋白结合后，成为一个复合物，会与特定的 RNA 结合，发生 「 剪刀 」 式的切割。PIWI 蛋白就是那把具体的剪刀，可以根据 piRNA 的 「 指示 」，在特定的 RNA（即我们所称的靶标 RNA）的中间来一刀。
申恩志给我们详细解释了这个过程。如果我们能把自己缩得无限小，进入细胞里面近距离观察 「piRNA+PIWI 蛋白 」 找到目标 RNA 并结合的全过程，会发现它很像拉拉链：RNA 是一条长链，而 piRNA+PIWI 蛋白的复合物会先从 RNA 的一端开始，一个个 「 齿 」 结合上去，逐步确认面前的这个 RNA 就是它找的目标，当拉链拉到头后，就会在这条拉链中间剪断，使之不再能运作。
当然，「 拉拉链 」 只是一个模糊的概况，具体这些 piRNA「 战士 」 如何能找到想找的 RNA？它和 PIWI 蛋白如何能具体办到 「 剪刀 」 的功能、如何实现了 「 保家卫国 」？人类依然知之甚少。
03
柳暗花明终有时
2015 年，被 piRNA 未解之谜深深吸引的申恩志，投入了麻省大学医学院 RNA 治疗研究所、诺贝尔奖得主 Craig C. Mello 实验室，从事博士后研究，研究方向也从原本的衰老转向了要从头开始学的 piRNA。那时候他不曾料想到，这条探索之路一走就是十年。
难点在哪里？首先是如何实现人工表达获得 PIWI 蛋白。一方面，这类蛋白存在于生殖细胞中，而像卵子精子这样的生殖细胞，本身就很难人工表达获得；另一方面，就算获得了，PIWI 蛋白上可能也已经结合上了 piRNA 或者其它 RNA 片段（这个过程非常迅速），很难获得纯 PIWI 蛋白。
从博士后到 2019 年加入西湖大学生命科学学院，申恩志和他的课题组一直致力于研究小 RNA 的生物学功能与作用机理。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。在很长一段时间里，他们尝试了不同的细胞表达体系，结果都是失败的。经过近两年的不断探索和尝试，直到 2021 年，「 幸运之神 」 终于降临，他们获得了较为理想的、有切割能力和活性的 PIWI 蛋白，终于搭建起了全新的实验研究体系，为整个 piRNA 信号通路的研究，奠定了坚实的基础。
第二个难点接踵而至。拱门上关键的 「 拱顶石 」 虽已取得，但回到过程本身，RNA 被切割的过程变化迅速、高度动态，我们如何看得清？
申恩志团队想到了生命科学的 「 超级显微镜 」：结构生物学。在这个领域，西湖大学拥有一批世界最优秀的科学家。他立即联合同在生命科学学院的吴建平团队，制定针对性的策略。还记得拉链的比喻吗？既然单看一条 「 拉链 」 难以看清，那么就分步骤，从短到长、把不同长度的 「 拉链 」（即 RNA）都 「 拉 」 一回，综合观察该过程中的结构变化。研究人员获取了 PIWI-piRNA 二元复合物，分别与不同长度的靶标 RNA 结合，分步解析瞬息万变的切割过程。
略去复杂的专业性过程不表，总之，他们观察到了一系列构象，并识别出了 MILI 蛋白三种不同的过渡状态：开放（即打开）、中间、关闭（即锁定）。比拟来说，在辨识和结合目标 RNA 过程中，MILI 蛋白就像一只手，先逐渐张大，然后握住目标对象，最后完成切割。同时，他们发现和鉴定了新的 RNA 切割催化中心关键位点。
图 1：piRNA 结合靶向 RNA 分子的动态变化过程
图 2：切割 RNA 的关键位点鉴定
更进一步，他们还发现了 GTSF1 小蛋白的存在，能加速这把剪刀 「 闭拢 」、完成最后的切割。GTSF1 是一种保守的配子细胞特异的锌指蛋白，对于 piRNA 的功能和多种生物的生育能力至关重要。
当然，这个格局庞大的叙事远远还没有讲完。申恩志的脑海里，有一幅关于 piRNA 的清晰 「 行动纲要 」。
「 我们最终目标还是更好地理解这种小的调控型的 RNA 的机制，以及它的生物学功能，并希望能够更好地把这种机理理解变成实际的应用。」 本质上，RNA 正是一种核酸；近些年，新冠核酸疫苗、核酸药物的出现，让申恩志这样致力于挖掘核酸背后机理的科学家，看到了转化应用的曙光。
其实，围绕 piRNA 这个核心兴趣点，这次 「 对症下药 」 的解结构，仅仅是申恩志 「 破题 」 此类小 RNA 的研究手段之一。如他的官网主页所述的，这个课题组致力于使用不同的实验手段（分子生物学、生物化学、分析化学、生物信息学和遗传学等），来研究非编码 RNA 的分子机制和生理功能以及在重大疾病发生中的作用。
申恩志团队
在这次的研究中，除了吴建平，你还可以在署名栏中找到另外 2 位来自不同研究领域的 PI—— 同在生命科学学院的甄莹和黄晶。申恩志说，关于这个课题，他和这两位同事分别讨论过进化和分子动力学模拟方面的问题。尽管本次没有擦出 「 火花 」，可谁又能说，其中没有埋藏今后的科学灵感呢？
申恩志一直记得博后时初识 piRNA 的心路历程，特别像在爬山，起步于好奇，而后发现这条路越来越长、越爬越惊奇，一眼看不到头。在逼近极限的时候，突然，能慢慢看到山顶，感受大自然色彩之美。
这艰难而漂亮的一役，增强了师生们继续在 piRNA 世界中探索的信心。此刻，他们已然向着下一座山、再下一座山，进发了。
该工作主要由西湖大学博士后李之清、博士生许祺奎、博士生仲憬、科研助理张艳、博士生张天翔、博士生应效泽等成员共同完成。西湖大学特聘研究员申恩志、吴建平是本研究论文的共同通讯作者。该研究得到西湖大学黄晶团队、甄莹团队、以及美国杜克大学张钊研究员的大力帮助。同时，感谢西湖大学冷冻电镜平台、高性能计算中心、高通量平台提供的技术支持。课题受到了国家自然科学基金、西湖实验室（生命科学和生物医学浙江省实验室）以及西湖教育基金会的资助；课题实施过程中还得到了西湖大学高性能计算中心的大力支持。
申恩志实验室主要聚焦小核酸生物学研究，目前，团队在生物化学，遗传学和生物信息学领域有多个职位空缺，欢迎感兴趣的有志青年加盟，欢迎联系 shenenzhi@westlake.edu.cn。
