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。

吴建平课题组致力于生命过程中关键蛋白的结构与功能研究，特别关注受精过程的结构基础，揭示受精过程的机理，帮助理解生命诞生的基本过程，并为不孕不育症的诊断、治疗和药物开发提供新思路。（相关阅读：重大突破丨西湖大学吴建平组解密精子活化开关CatSper通道体，Cell报道｜西湖大学吴建平团队在生殖医学领域再次取得重大突破）课题组长期招聘对生物化学、结构生物学、生殖生物学、生物信息学、电生理等方向感兴趣的成员。期待与有志青年学者共同探索生命的奥秘！

联系方式：wujianping@westlake.edu.cn。