「我相信這項研究將對該領域產生變革，這是第一次發現並闡明了 piRNA 從無到有產生的新機制。」對於吉林大學校友、美國加州理工學院駱一鋮博士的新論文，評審專家認為有著重要意義。
圖 | 駱一鋮（來源：駱一鋮）
日前，駱一鋮和所在團隊通過利用以綠色螢光蛋白（GFP，Green fluorescent protein）為基礎，構建了一個外源 piRNA 簇，可以完全地排除內源 piRNA 簇的影響。
研究發現，此外源 piRNA 簇會從最初的、一段不產生 piRNA 的基因組片段，逐漸轉變為可以產生 piRNA 的 piRNA 簇。
（來源：Molecular Cell）
進一步的研究證實，由兩條互補的 RNA 雙鏈產生的 siRNA 在 piRNA 簇形成的初期階段發揮著關鍵作用。
這一發現揭示了 piRNA 生成的重要機制，並完整描述了 piRNA 簇從無到有，進而穩定產生大量 piRNA 的完整過程。
本次成果不僅發現了新的 piRNA 以及 piRNA 簇的起源機制，同時有助於我們更深入地理解生物體是如何應對外源基因組入侵（例如病毒），也為 piRNA 的起源提供了新的研究方向。
日前，相關論文以《母系遺傳的 siRNA 啟動 piRNA 簇形成》（Maternally inherited siRNAs initiate piRNA cluster formation）為題發在 Molecular Cell[1]，駱一鋮是第一作者，加州理工學院阿列克謝·阿拉文（Alexei A. Aravin）教授擔任通訊作者。
圖 | 相關論文（來源：Molecular Cell）
據介紹，piRNA 是一類重要的小非編碼 RNA，其主要功能在於通過抑制轉座子活動，從而保護基因組整體的穩定性和完整性。
piRNA 的作用至關重要，因為一旦失去了 piRNA 的調控作用，轉座子的活動便會失去控制，進而對基因組造成嚴重地、不可逆地損害，最終會導致生物體無法產生後代，從而影響物種的延續。
piRNA 主要來源於基因組內富含轉座子的區域，這些區域被稱為 piRNA 簇。這些 piRNA 簇一般位於染色體中心附近或染色體末端的異染色質區域。
根據其轉錄特點，piRNA 簇分為單鏈 piRNA 簇和雙鏈 piRNA 簇。單鏈 piRNA 簇的轉錄過程類似於長非編碼 RNA，具有完整的轉錄原件，與正常基因的轉錄過程相似，都具有轉錄起始、延長和終止過程等過程。
而雙鏈 piRNA 簇的轉錄則是在特定蛋白質的調控下完成的，其中涉及到剪切抑制和抗轉錄終止等複雜機制。
最新研究表明，現有的 piRNA 簇可以通過自身產生的 piRNA 去識別基因組上其他位點的轉錄產物，並將 piRNA 簇的標記蛋白招募至這些區域，從而使非 piRNA 簇區域轉變為 piRNA 簇。
這一發現為理解 piRNA 的多樣性以及擴充性提供了解釋，但對於 piRNA 是如何從無到有的過程尚未給出解答。基於此，駱一鋮開展了本次研究。
研究中，他先是發現了一個特殊的含有 GFP 報告基因的果蠅品系，該品系在初期時 GFP 表達正常，而在大約一年之後，在果蠅的生殖細胞中，GFP 的表達被沉默了。
接著，他們開始探究 GFP 在生殖細胞中被沉默的原因，發現有大量的 piRNA 從 GFP 報告基因上產生。
隨後，他們繼續探究 GFP 報告基因和正常的 GFP 報告基因到底有何不同，最終發現是由若干 GFP 報告基因無規則組成的重複序列，並且會形成雙鏈 RNA 結構，從而產生 siRNA。
然後，他們開始探究 siRNA 在 piRNA 簇形成過程中的作用，發現 siRNA 結合 Ago2 蛋白後，可以識別並結合相應的互補 RNA，在剪切 RNA 的過程中會產生少量 piRNA。
這些 piRNA 可以通過在後代中不斷積累最終將外援的重複序列轉變為高效地產生 piRNA 的基因組片段，即 piRNA 簇。
駱一鋮表示：「本研究的初衷是研究 piRNA 簇是如何捕獲和控制新的外源性 DNA（這也是我的另一個課題）。結果得到了這個特殊的轉基因果蠅，再最初檢查 GFP 表達的時候沒有表象不正常，可以看到 GFP 的表達。」
大約過了一年多，他又想起了這個果蠅，就檢查了一下，結果就發現了 GFP 沉默。由於在第一次檢查時，他注意到 GFP 有些表達的過於強烈，強於他所掌握的正常 GFP 報告基因的強度。
「所以在一年之後才會又想起來這個果蠅。這其中有幸運的成分，但是多做實驗，積累經驗和注意細節，就可能會發現一些很有意思的結果。」駱一鋮表示。
目前，他和所在團隊已經證明了 siRNA 可以誘導產生 piRNA，但是結合 Ago2 的 siRNA 識別相應互補 RNA 後，是如何產生 piRNA 的具體機制還沒有被描述，這當中是否還涉及到其他蛋白質或者新的作用機制，這些問題還需要進一步回答。
其次，關於 piRNA 簇形成的必要條件沒有得到證明，比如為什麼 piRNA 簇的形成需要一段較長的重複的序列？是否涉及到一些基因組或者染色體的三維結構？
因此，接下來他和同事會圍繞 piRNA 簇的基因組結構展開研究，探究 piRNA 簇形成需要的基因組結構，以及到底哪些蛋白質參與其中。
另據悉，在吉林大學讀本科期間，駱一鋮沒有系統地學習過分子生物學及其相關知識，大部分時間是學習醫學和藥學。
他說：「2011 年，在本科最後一年有幸去美國冷泉港實驗室作為實驗室助理完成畢業實習，開始從事 piRNA 方向的研究，這也是我第一次接觸 piRNA，很多知識和實驗都需要從零學起。」
之後，他來到加州理工學院攻讀博士學位，師從於 Alexei Aravin 教授（piRNA 的發現者之一）。博士期間，他主要研究 piRNA 簇轉錄調控，發現並完善了 piRNA 簇轉錄調控機制，之後又致力於理解 piRNA 簇的形成機制。
自 2011 年直到現在，他一直從事 piRNA 的研究，在 piRNA 生成和作用機制等各個環節都有參與和作出貢獻，同時他還參與了其他方面的課題，例如優化改進 AAV 病毒等工作。
目前累計發表論文 13 篇，分別發表在 Molecular Cell、Genes & development、Nature methods、PLoS genetics、Elife、RNA、Science 等期刊上。
參考資料：
1.Luo, Y., He, P., Kanrar, N., Toth, K. F., & Aravin, A. A. (2023). Maternally inherited siRNAs initiate piRNA cluster formation.Molecular Cell, 83(21), 3835-3851.