复杂的人体系统内，细胞活动时时刻刻都在进行：运输氧气、吞噬细菌、传递神经信号……要想保证这些细胞各司其职、井然有序，离不开一位特殊的“指挥官”——非编码小RNA（核糖核酸）。

　　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着不可或缺的角色。然而，长期以来，piRNA的功能和机制却一直是个谜。

　　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该校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）与piRNA协作切割目标RNA的全过程。相关研究近日在线发表于《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作出了重要贡献。”

　　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”，以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”。转座子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”会导致基因组不稳定，从而诱发血友病、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可以通过将自身序列和“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piRNA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，确保生殖细胞正常发育、遗传信息准确传递。

　　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。

　　研究人员发现，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，“钳子”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”对其进行精准切割。

　　“在识别目标RNA过程中，PIWI蛋白经历了开放、中间、关闭3种过渡状态。”申恩志告诉记者，他们首次全面阐述了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。

　　突围的“后起之秀”

　　与piRNA相比，它的两个“兄弟”——非编码小RNA家族的miRNA和siRNA名气大得多，分别荣获2024年和2006年诺贝尔生理学或医学奖。

　　然而，在“兄弟”们的相关研究井喷时，同为“明星家族”重要成员的piRNA的研究之路却异常坎坷，其功能和机制的研究都在探索中。

　　2015年，刚刚从事博士后研究的申恩志出于好奇，将目光投向非编码小RNA，特别是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、建立有效的实验方法平台，但是这个过程往往要经历多次尝试，避免不了失败和迷茫。”申恩志说。

　　2018年，申恩志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，慢慢对非编码小RNA领域有了一定认识。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，申恩志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，他带领课题组在不同的实验体系和实验条件下，多次尝试制备PIWI蛋白。但是，实验体系的建立基本都是失败的，要么纯度不够，要么无法分离部分核酸、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”，成功搭建起完整的实验研究体系，为piRNA信号通路的机制研究奠定了基础。

　　“不过在科研里，问题永远是一个接一个。”申恩志说，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的新难题。

　　“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”

　　申恩志没想到，这条piRNA研究之路一走就是10年。

　　“目前，我们所发现的只是冰山一角。”回望10年探索历程，申恩志十分感慨，“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，刚刚接触该领域时，许多知识和现象都只能从书本上了解，尽管有了初步理解，但书中也存在很多不确定的内容。

　　“从科研角度看，一定要找到确切答案。”尽管心里没底，申恩志仍抱着“对科学问题就得刨根问底”的态度，勇敢踏上科研探索之旅。

　　“复杂生命是怎样出现的、我们该如何理解并治疗疾病，非编码小RNA在这些方面具有重要作用。”申恩志说，但生物体非常复杂，有几十万乃至上百万不同的RNA分子，它们匹配的具体机制什么样、在此过程中其他蛋白是否发挥作用都是未知数。

　　怀着这些疑问，申恩志带领团队一步步摸索，尝试使用各种不同的学科方法，揭开piRNA的神秘面纱。“我们最终的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，并实现实际应用。”申恩志说，RNA本质上是一种核酸，而近些年核酸药物的出现让他们看到了转化应用的曙光。

　　无论前路是否坎坷，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”。（见习记者 赵宇彤）

　　相关论文信息：

　　https://doi.org/10.1038/s41586-024-08438-1