Nature | 申恩志/吴建平团队揭示PIWI蛋白与piRNA协同作用切割目标RNA

微小非编码RNA是生物体中广泛存在的、调节基因表达的核糖核酸分子，可以与高度保守的效应蛋白Argonaute形成核酸蛋白复合物，并作为向导分子指引复合物靶向识别和结合碱基序列完全或不完全互补的DNA或RNA靶标【1,2】。Argonaute蛋白在进化过程中演变出了两大类蛋白家族，分别是AGO类和PIWI类。AGO类蛋白能够与微小RNA miRNA （microRNA） 和siRNA （small interference RNA） 相结合，调控多种细胞类型中的基因表达，进而参与生命体的不同生物学过程，这两类小RNA的相关科学发现已分别摘得了诺贝尔奖。PIWI类蛋白则与第三类微小RNA piRNA （PIWI-interacting RNA） 相结合，主要在动物的生殖细胞中发挥作用，抑制转座子和外源性核酸，确保正常的配子发育以及遗传信息的准确传递【1,2】。

相比于有限的miRNA数目 (千级别) ，piRNA数目十分庞大 （十万级别） ，如此大量的piRNA如何准确识别和结合靶向RNA呢？该团队的前期研究发现回答了piRNA如何实现靶向的保真性这一基本问题【3】。结合靶向RNA分子之后，Argonaute蛋白可以用核酸内切酶活性来沉默降解靶标RNA分子，这种过程称为切割。在生殖细胞中，PIWI蛋白能够通过切割转座子RNA，从而抑制转座子的活动，进而防止基因组突变【1】。此外，在哺乳动物中，粗线期的精细胞piRNA也能够指导PIWI蛋白选择性切割一定的mRNA，以确保精子发生过程中蛋白水平的稳定，维系雄性生殖【1】。目前为止，尽管切割反应在PIWI-piRNA通路中发挥了核心作用，但是PIWI蛋白如何通过piRNA与靶标RNA的碱基配对来启动切割仍然未知。基于前期的研究基础，该团队对这一前沿科学问题展开了系统研究。

2025年1年15日，西湖大学申恩志和吴建平团队在Nature杂志上在线发表了题为Structural insights into RNA cleavage by PIWI Argonaute的研究成果。该研究揭示了PIWI蛋白如何与piRNA协同作用切割目标RNA。

为了探究PIWI-piRNA如何启动靶标RNA切割，申恩志团队继续选用小鼠的MILI蛋白 （即PIWI蛋白） 作为主要的研究对象。研究人员获取了PIWI-piRNA二元复合物结合不同碱基匹配长度的靶标RNA分子的动态构象变化。他们发现随着碱基匹配长度的延长，复合物的核酸结合通道逐渐打开，允许后续碱基匹配的发生。随着碱基匹配的进一步进行，结合状态的piRNA 3’端被释放出来，同时伴随着核酸通道的变窄关闭。该研究首次报道了核酸通道可以先开放、再关闭的过程，从而使piRNA的靶向RNA切割位置处于催化活性中心（图1）。此外，该研究发现了新的关键位点，对于催化活性中心的活性不可或缺。

图1：MILI-piRNA结合靶向匹配RNA的动态构象变化过程

最近的研究报道揭示无脊椎动物的PIWI蛋白催化切割靶标RNA的活性极其低弱，并猜测结合全匹配的靶标RNA复合物处于“逗号”构象，是一种催化激活状态【4】。然而，本研究发现这些构象不是激活态，实际上是一种中间状态，处于开放和关闭状态之间的非活性态。这一发现不仅完善了之前报道的研究结果，也帮助进一步扩展了人们对piRNA精细复杂分子调节机制的认知。

更进一步，GTSF1是一种保守的配子细胞特异的锌指蛋白，对于提高PIWI介导的靶标切割至关重要，然而如何促进切割尚不明确。由于GTSF1的构象变化速度过快，难以进行捕捉，因此研究人员用AlphaFold3来预测了PIWI-piRNA-靶标RNA与GTSF1之间的相互作用位点，揭示了GTSF1可能通过与PIWI-piRNA-靶标RNA三元复合物的结合，促进复合物从中间态向最终锁定态的转变，从而增强PIWI靶标切割能力。

综上所述，本研究首次揭示了piRNA引导PIWI蛋白MILI切割靶标RNA的动态变化构象，暗示着piRNA对靶标RNA的调节是多因子共同参与调节的精密程序化过程，确保piRNA调节靶标RNA的高效性及特异性。此外，该研究为后续大量piRNA生物学功能的探索，提供了坚实的分子框架基础。

西湖大学特聘研究员申恩志、吴建平为本文的通讯作者。该工作主要由西湖大学李之清博士、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。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帮助与支持。

申恩志实验室主要聚焦核酸生物学研究，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。

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

制版人：十一

参考文献

1. Wang, X., et al., Emerging roles and functional mechanisms of PIWI-interacting RNAs.Nat Rev Mol Cell Biol, 2023. 24(2): p. 123-141.

2. Ozata, D.M., et al., PIWI-interacting RNAs: small RNAs with big functions.Nat RevGenet, 2019. 20(2): p. 89-108.

3. Li, Z., et al., Mammalian PIWI-piRNA-target complexes reveal features for broad and efficient target silencing.Nat Struct Mol Biol, 2024. 31(8): p. 1222-1231.

4. Anzelon, T.A., et al., Structural basis for piRNA targeting.Nature, 2021. 597(7875): p. 285-289.

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