撰文 | 十一月
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小分子非编码RNA一直是分子生物学中的暗物质。从小干扰RNA沉默侵入病原体到小RNAs调控基因表达，非编码RNA在细胞中发挥着各种各样的作用。"在分子生物学的早期阶段，大家普遍认为RNA只是从DNA到蛋白质的中间产物，但是非编码RNA的结构及与其他蛋白的相互作用是错综复杂且充满乐趣的。"结构生物学家Dinshaw Patel如是说道。
Dinshaw Patel在2009年被选为美国科学院院士，Patel一直致力于揭示生物分子的结构以及分子复合物形成的基本规律。Patel在就职纪念斯隆-凯瑟琳癌症中心的演说中，介绍到PIWI蛋白的PAZ结构域是如何形成一个"口袋"结合piRNA的3'末端，非编码RNA如何帮助维持生殖细胞DNA的完整性。
美国的召唤
Patel于1942年出生在印度孟买，并且成长于拜火教的社区之中。他的父亲是国内的工程师，这使得Patel具有良好的教育条件，能够徜徉于科学世界之中。"因为印度是一个发展中国家，很多科学只是都只是纸上谈兵，几乎没有很好的实践经验。"Patel如是说受到美国科研的魅力与迅猛发展所吸引的Patel在十九岁那年注册成为了加州理工的一名研究生。在Jack Roberts实验室中，Patel第一次使用核磁共振光谱分析进行实验一种能够可视化分子结构的工具，这在他的早期职业生涯中发挥了重要的作用。"
加州理工科研环境的创造性与强度塑造了我未来的科研生涯"，Patel说道。由于研究小环状环丙烷化合物的开环重排而顺利在1963年拿到硕士学位后，Patel前往纽约大学与光化学家David Schuster开始一起工作。三年后，在拿到化学博士时，Patel发现自己站在了人生的十字路口。"很明显研究的热点风向已经转到生命科学领域了"他说。
转换领域之后，Patel跟随生物化学家Robert Chambers在纽约大学药学院开始了他的第一次博士后训练，主要研究转运RNA。同时，一个先前同处于加州理工的同事Angelo Lamola 1968年搬到了位于新泽西的默里山的贝尔实验室，邀请Patel成为博后参加他的实验室的一个生物物理学小组。Patel回忆起当时Lamola和刚刚建立的实验室，每个实验室配备一名科学家和一名技术员，提供独立的空间也极大的培养了创造力。之后，Patel发表了几篇单独作为作者的视网膜上异构化，眼睛中的发色团结合视紫红质【1】。
两年后，贝尔实验室高分子化学部门负责人弗兰克博维为Patel提供了永久职位。Patel开始使用核磁共振研究具有生物活性的肽、亚铁血红素蛋白和转运RNA的构象。"在核磁共振的使用处于初期的阶段，我们集中使用简单的实验手段去监测生物聚合物的折叠、相互作用以及构象转变"。到1983年，Patel荣获贝尔实验室杰出实验人员奖，"在某些方面，在'贝尔电话公司'从事生命科学研究最后还因为这个获了个奖是个有点尴尬的事情，哈哈"，虽然如此调侃，但是Patel指出在贝尔实验室工作的这17年是他重要的"转型期"，因为在这期间培养了自己对
"好奇心驱使的新发现充满了热情和渴望"。最终，贝尔实验室的解散，Patel说到"我仿佛还能看到墙壁上的那些字，尤其那些在做生命科学研究的人们。"随后，他开始申请研究工作，最后1984年在哥伦比亚大学药学院得到了生物化学与分子生物物理学系的教授职位。他回忆到，"环境变化是非常大的"，因为当时的Patel需要建立自己的研究组、申请基金以及教书。他开始学习DNA双螺旋结构中的"错误"，比如说碱基错配，以及化学修饰还有药物-DNA复合体靶向双螺旋等等。
在1992年，Patel搬到了他现在的学术之家：纪念斯隆-凯瑟琳癌症研究所，在那和生物化学家James Rothman一起建立和发展了结构生物学项目。Patel指出，这一举措带来了相当多的长期资源，可以启动具有挑战性的项目。"在Paul Marks的领导下斯隆-凯瑟琳所一直处于上升的势头，"Patel说，那时他还没有意识到那的科研环境有多特殊和优越，因为过了街对面就是洛克菲勒大学和威尔康奈尔医学院。
Patel说与洛克菲勒大学的教授们的合作对于他的成长非常关键，包括分子与细胞生物学家Thomas Tuschl、David Allis、Robert Roeder以及Paul Greengard。"结构生物学非常强大，"他说，因为"它能够精确地定义蛋白、核酸以及他们的复合体中的原子的位置。"
重要的是，结构能够允许人工设计特异的、靶向性很强的突变，定向的有选择性的去观测这些突变对于生物功能的影响。Patel一直在研究高阶的DNA结构。DNA通常是双链形式。Patel以核磁共振为基础实验手段研究三链或者是四链DNA的结构，从而探明三链或者是四链配对方式的生物学功能和意义。
在癌症研究中心的第一个十年，Patel研究了一些环境中的致癌物，比如多环芳香烃，能够破坏DNA。与生物学家Suse Broyde和化学家Nicholas Geacintov一起进行研究，Patel解释了手性的作用，致癌物质会共价结合在DNA的损伤位置。"这样的研究与直接基于大沟小沟的研究不同，致癌物插入排列方式在本领域中是第一次被研究。"这些结果说明了为什么那些损伤的位置会更容易被容易出现在修复机器附近并且这些损伤难以修复【2】。Patel提到该致癌性研究获得了纽约大学1997年杰出校友奖。
RNA:比看到的更深奥
Patel搬到纪念斯隆-凯瑟琳研究中心之后，对他的研究领域作出了两个重要调整。首先他将自己的研究领域扩展到X射线衍射晶体学方面，从而能够从更高的分辨率和更好的时间性来研究大分子复合体的结构。另外一方面他开始转向RNA领域，RNA可以以多种独特的方式进行折叠。Patel将他的研究聚焦于核糖体开关、核糖酶以及RNA干扰。
核糖开关是信使RNA的非编码包含传感域能够结合配体的部分，如一些代谢物。结合不同的配体会改变RNA的结构，使得其能够作为依赖于配体浓度的相关的On-off开关从而调控基因的表达。Patel关于核糖蛋白开关的工作鉴定出了一系列高阶的RNA结构、配体结合口袋以及Mg2+调控的分子内相互作用，对于配体识别的特异性有重要的作用。核糖酶是具有催化活性的RNA分子。最近，Patel与化学家Ronald Micura合作研究能够切割核酸的小的核糖酶。该工作鉴定除了高阶的RNA结构在核酸的磷酸二酯骨架的特定位置如何进行切割以及鉴定出了对于RNA折叠的稳定性以及促进催化作用的扭转核酶【3】。"将结构、识别、转变以及切割化学对与基因调控和催化作用的基础机制给出了一些见解，从而提出了关于RNA具有多种功能的独特的概念"，Patel说道。非编码RNA在保护细胞方面也发挥了作用。"双链的DNA或者是RNA在细胞质出现是不正常的，自然界中细胞发展出了能够感应该现象的抵御机制"，Patel解释道。一个叫做Dicer的酶能够将入侵的RNA切割成小的片段，被称为siRNA。siRNA的一条链即引导链，像钓鱼一样使用寻找并降解互补的病毒信使RNA防止病毒蛋白质的产生。Patel将他的研究集中在Dicer以及另外一个核酸酶Argonaute (Ago)上，主要在RNA干扰中发挥作用。在与分子生物学家Thomas Tuschl的合作中，Patel解决了双元原核Ago复合体用于识别靶标RNA
【4】。病毒对他们RNA降解的反击涉及到一些蛋白质抑制子能够靶向RNA干扰信号同路的多个步骤。Patel建立了病毒p19抑制子是如何形成同源二聚体以及使用卡尺类似的机制来靶向siRNA。回忆这个阶段的工作，Patel说道"在这十几年中有一些瞬间将一些新颖的折叠与我们的研究与RNA干扰的相互作用的基本原则相联系，那些其实是系统中早先难以被界定的黑匣子"。
生命的代码
从2005年开始，Patel开始进入表观遗传调控领域的研究。表观遗传，指的是DNA表达的量的不同并不是由于DNA序列本身而是由于表观遗传标记的不同。DNA紧密缠绕的球形蛋白被称为组蛋白。组蛋白暴露的尾巴可以被一些酶特异性的加上一些修饰。这些组蛋白的修饰会形成一些关于说明时间以及DNA的特定部分如何具有可接近型的特定说明，该过程对于细胞发育过程非常重要。"现在你有另外的编码能够通过酶来动态地以及位点特异性地控制这些编码的写入、读出以及擦写。"Patel解释道。组蛋白尾部的修饰对于基因表达提供了另外一个水平的调控。举例来说，H3K4me3与转录起始点相关。Patel记得洛克菲勒的生物学家David Allis跨过街来讨论想要阐明H3K4me3被最大的核小体重塑因子亚基的PHD指结构识别的结构基础的那个时候。最终解析出来的结构不仅仅说明甲基化的赖氨酸在分子笼的侧面，也同时解释了序列识别特异性的来源
【5】。"在那次会面之后我对表观遗传调节背景下的结构基础产生了极大的兴趣"。Patel同时也对DNA复制过程中的甲基化以及母链DNA的甲基化模式是如何转化到新的DNA链上的进行了解析。他的团队揭开了人类DNMT1酶的在结合DNA时候的结构【6】，不仅展示了DNMT1在所需要的位置是如何加上甲基化标记，同时也揭开了自抑制的机制【7】。Patel解释道这个DNA甲基转移酶的维持作用通过连续的细胞分裂将对于甲基化标记放在正确的位置而避免标记在错误的位置。Patel说他关于表观遗传调控方面的贡献，最近已经扩展单组蛋白伴侣的方面【8】。扩展视野
与生物化学家Rhoderick Brown合作过程中，Patel也研究了由脂质转移蛋白调控的脂质获得与释放过程。结构方面的数据表明其与裂口类似的门结构机制一致的，在囊泡的生物合成与运输过程中糖脂链顺序进入和离开与膜相关的疏水通道【9】。Patel一直在扩展新的研究领域。他目前在研究天然免疫的分子机制，与免疫学家Winfred Barchet以及化学家Roger Jones共同研究cGAS的构象变化。cGAS是后生动物中双链DNA感应器，能够激活适配子蛋白STING开启干扰素信号途径。关于此方面的结构研究表明，当暴露在DNA存在的情况下，cGAS会产生一个口袋结构，使得ATP与GTP进入其中产生不同寻常的循环的2,5-cGAMP从而激活STING
【10】。Patel对他的导师仍然非常感激，感谢他们对他的思维方式以及研究方向的影响。Patel强调"有研究组的成员们不可思议的才华与专注的加持，有合作者们及时的帮助，有新兴领域的开放的机会，也有意外发现的现象、充足的资源支持与足够的幸运，让科学研究对于他来说成为一个非常具有挑战性同时也令人兴奋的事业。"
附Dinshaw J. Patel实验室培养的在国内独立的PI名单：
麻锦彪（复旦大学生科院教授）
李海涛（清华大学医学院教授）
叶克穷（中科院生物物理研究所研究员）
王艳丽（中科院生物物理研究所研究员）
王占新（北京师范大学生命科学学院教授）
张 钠（中国科学院强磁场研究中心教授)
高 璞（中科院生物物理研究所研究员）
任艾明（浙江大学生命科学研究院研究员）
杜嘉木（南方科技大学教授）
杨 荟（中科院生化细胞所研究员）
黄鸿达 (南方科技大学副教授)
陈守登（中山大学附属第五医院研究员）
甘建华（复旦大学生科院教授）
原文链接：
www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1512793112
参考文献
1. Patel, D. J. 220 MHz proton nuclearmagnetic resonance spectra of retinals. Nature221, 825-828 (1969)
2. Cosman,M. et al. Solution conformation ofthe major adduct between the carcinogen (+)-anti-benzo[a]pyrene diol epoxideand DNA. Proceedings of the NationalAcademy of Sciences of the United States of America 89, 1914-1918 (1992).
3. Ren,A. et al. In-line alignment andMg(2)(+) coordination at the cleavage site of the env22 twister ribozyme. Nature communications 5, 5534, doi:10.1038/ncomms6534 (2014).
4. Wang,Y., Sheng, G., Juranek, S., Tuschl, T. & Patel, D. J. Structure of theguide-strand-containing argonaute silencing complex. Nature 456, 209-213,doi:10.1038/nature07315 (2008).
5. Li,H. et al. Molecular basis forsite-specific read-out of histone H3K4me3 by the BPTF PHD finger of NURF. Nature 442, 91-95, doi:10.1038/nature04802 (2006).
6. Song,J., Rechkoblit, O., Bestor, T. H. & Patel, D. J. Structure of DNMT1-DNAcomplex reveals a role for autoinhibition in maintenance DNA methylation. Science 331, 1036-1040, doi:10.1126/science.1195380 (2011).
7. Song,J., Teplova, M., Ishibe-Murakami, S. & Patel, D. J. Structure-basedmechanistic insights into DNMT1-mediated maintenance DNA methylation. Science 335, 709-712, doi:10.1126/science.1214453 (2012).
8. Elsasser,S. J. et al. DAXX envelops a histoneH3.3-H4 dimer for H3.3-specific recognition.Nature 491, 560-565,doi:10.1038/nature11608 (2012).
9. Simanshu,D. K. et al. Non-vesiculartrafficking by a ceramide-1-phosphate transfer protein regulates eicosanoids.
Nature 500, 463-467, doi:10.1038/nature12332 (2013).10. Gao,P. et al. Cyclic [G(2',5')pA(3',5')p]is the metazoan second messenger produced by DNA-activated cyclic GMP-AMPsynthase. Cell 153, 1094-1107, doi:10.1016/j.cell.2013.04.046 (2013)
