科学的聚光灯，曾数次打在RNA上。

　　2024年，科学家维克托·安布罗斯和加里·鲁夫昆凭借对微小RNA（microRNA）及其在转录后基因调控中作用的发现，被授予该年度诺贝尔生理学或医学奖。

　　2006年，科学家安德鲁·法尔和克雷格·梅洛凭“RNA干扰机制——双链RNA沉默基因”的发现，斩获该年度的诺贝尔生理学或医学奖。

　　近日，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《自然》杂志上在线发表了题为“PIWI蛋白切割靶向RNA的结构分子机理”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。

　　以上研究者内含一种基因序列般的奇妙联系——维克托·安布罗斯是克雷格·梅洛的老师，而申恩志在麻省大学医学院做博士后期间，又师从克雷格·梅洛。

　　我们的细胞有一种隐形管家——非编码小RNA，它不只调控基因表达、维持基因组稳定，还充当细胞医生，管控细胞的分化与发育，并免疫防御、监控疾病发生。

　　非编码小RNA又有三个重要成员：miRNA、siRNA、piRNA。前两者分别为申恩志的师傅、师祖拿下诺贝尔奖，2006年才闯入科学家视野的piRNA，则成了他的研究对象。

　　解释piRNA的角色，要先解释它的死对头——“基因捣蛋大王”转座子。根据人类基因测序结果，编码蛋白的 DNA仅占2%，其余98%不参与编码。这不编码的蛋白中，50%是在基因组内自主复制、跑来跑去的DNA片段“转座子”。因为到处乱窜，转座子插入基因，可能会诱发基因突变，甚至引发疾病，一度被视为“垃圾基因”。

　　所谓一物降一物，“基因捣蛋大王”也有它的天敌piRNA。这个“转座子警察”精准打击转座子中最常见的一种——逆转录转座子。这类转座子需要经历“DNA-RNA-DNA”的过程，才能完成转录。而piRNA能在它还是RNA的时候，就迅速识别它，并和帮手PIWI蛋白合作，结合为复合物，并切割转座子，保卫生殖细胞。

　　此前，piRNA和PIWI蛋白的具体合作过程一直有些模糊，而申恩志团队观察到了切割全过程。

　　“携带碱基序列信息的piRNA当导游，引导PIWI蛋白，寻找最有可能结合并发挥调控作用的靶向位点。细胞内存在大量逆转座子RNA和非编码RNA，所以，这是个大海捞针般的寻觅经过。”西湖大学生命科学学院、西湖实验室特聘研究员申恩志为记者解读说，piRNA-PIWI蛋白复合物通过碱基互补配对原则，采用类似“扫描”的方式寻找匹配序列。

　　RNA有两端，而它们的扫描一般从一端向另一端进行，比如从下端往上扫描。“这个过程很像拉拉链。”申恩志打了个比方，RNA像一条长拉链，而piRNA-PIWI蛋白复合物像个拉头，当它们不断确认眼前的RNA是否为搜查目标，从此到彼扫描RNA，就像把一条拉链拉到尽头。最后，piRNA-PIWI 蛋白会开始“审判”，在RNA链上来一刀，让被剪断的RNA失效。

　　2015年，申恩志投入麻省大学医学院RNA治疗研究所、诺贝尔奖得主克雷格·梅洛实验室。

　　“一直觉得生命体这么复杂，蛋白质又这么少，那么其复杂性大概来自RNA的调控。”申恩志回忆，那时piRNA又是一个较新的研究领域，故而将其作为自己博士后的研究方向。

　　然而，实现人工表达获取PIWI蛋白，就是横在他面前的第一道难关。首先，这类蛋白仅存在于生殖细胞内，像卵子和精子这些生殖细胞，想要通过人工表达的方式获取，本身就极为困难。即便成功获取了生殖细胞并从中得到PIWI蛋白，还会面临新的问题。PIWI蛋白结合性极强，可能一不留神，它就与piRNA或其他RNA片段结合了。这就导致获取纯PIWI蛋白非常棘手。

　　提起研究背后的故事，申恩志用“一把鼻涕一把泪”来形容。

　　“2019年加入西湖大学生命科学学院伊始，我和课题组一头扎进了获取纯PIWI蛋白的迷宫。获取人工表达蛋白质，就是一场艰难的马拉松。一次次尝试不同细胞表达体系，实验、失败、再优化，我们终于拿到了PIWI蛋白。”申恩志回想那困难的日子，依然慨叹不已。

　　但这时，研究不过才刚到起步阶段——他们手上的，是和其他RNA片段结合了的PIWI蛋白，还需修剪一堆“杂草”般的RNA片段。又一轮艰苦的方法优化后，他们再将piRNA和PIWI蛋白组装成有活性的复合物。最后，他们终于获得了较理想的、有切割能力和活性的PIWI蛋白，并搭建起一个全新的实验研究体系。其研究已可以解答piRNA的靶向性问题。

　　然而，2022年，另一个团队就靶向性问题抢先发表了成果。“这时，团队的心都在滴血。”申恩志说，科研是残酷的，但科学需要向前。没关系，他这样安慰自己和学生们，他们已经解答了靶向性问题。

　　继续前进！他们开始平复心绪，坐下来对比另一团队和自己团队研究数据的差异。

　　“我们的研究对象不同。对方选用无脊椎动物探究其蛋白机制，我们则聚焦小鼠和人，研究不同物种piRNA 防御系统的特性。”申恩志说，他们继续深入挖掘数据发现，小鼠和人的piRNA防御系统是一批精锐之师。其不仅精准度高，摧毁靶标的能力也更强，在进化角度上，也与无脊椎动物的特性不同。从这一层面上，他们的研究可以对piRNA防御系统功能理解进一步深化。

　　修改论文后，2024年4月24日，申恩志团队联合吴建平和宋春青团队，在《自然结构与分子生物学》杂志在线发表了题为“哺乳动物PIWI-piRNA复合物具有广谱、高效沉默靶向RNA的特性”一文。

　　阶段性胜利已经取得，但他们步履未停。这一研究依然有些迷雾：piRNA和PIWI蛋白究竟是否切割了目标RNA？又是如何切割的？他们刨根问底，最终揭示了切割过程。RNA被切割的过程转瞬即逝，该怎么看清呢？

　　在现有的条件下，实时观察法有些难以实现。他们选择了对比法，将不同长度的RNA切割一遍，横向观察其结构变化。

　　但得益于西湖大学对跨学科研究方法的鼓励，申恩志请来了帮手——同在生命科学学院从事结构生物学研究的吴建平团队，后者协助搭建了相关模型。他们将PIWI-piRNA二元复合物与不同长度的靶标RNA结合，分步解析切割过程。最后，他们识别出PIWI蛋白在切割过程中，三种不同的过渡状态：开放（即打开）、中间、关闭（即锁定）。

　　此外，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。

　　他们和piRNA的故事，未完待续。

　　“未来，我们还将推进对小RNA的生物学功能、背后机制的研究。此外，我们还将促进研究向应用层面转化。RNA本质上是一种核酸，那么是否有可能用它检测及治疗疾病？”申恩志介绍研究计划称，他们还期待用一些前沿手段，如AI，来完成上述研究。对于转座子这一占据人类碱基近一半的基因，申恩志同样充满好奇。他猜想，其对于加强染色体折叠的复杂性，或存在重要贡献。他表示未来也将证实自己的这一猜想。