Piwi家族的蛋白在整个生物进化历史上都很保守
，线虫
、果蝇
、鱼类
、小鼠
、人体内都有这种蛋白
。但这种蛋白只在这些生物的生殖细胞中存在
。
从1998年到2008年
，科学家们对线虫
、果蝇
、鱼类
、小鼠的研究都表明
，Piwi家族的蛋白对生殖细胞的成熟至关重要
。
但在人体内呢
，在精子成熟的过程中
，Piwi家族的蛋白发挥了什么作用
？
人类的一种Piwi基因被称为Hiwi基因
，该基因编码产生HIWI蛋白
。
刘默芳
、施惠娟带领的研究人员对413位原发性“无精子症”
、弱精症患者进行了基因检测
，他们在三位患者的Hiwi基因中
，发现了三种基因突变型
，对应在HIWI蛋白中分别为：R218A/L221A（患者1）
，L221G/N225H（患者2）
，L221R（患者3）
。
研究人员发现
，如果在小鼠基因组“敲入”这些突变基因
，雄性小鼠会出现不育
，其精子形态异常
，头部结构疏松
，无活力
，与人类患者的疾病表型完全一致
。这意味着
，Piwi（Hiwi）基因的这些突变
，可直接导致男性/雄性不育
。
“置换”后
，精子才活力四射
Piwi（Hiwi）基因突变
，为什么会导致精子形态畸形
、活力不佳
，以及雄性不育
？
事情得从一个多世纪以前说起
。
一个多世纪以前
，科学家就在动物精子中发现一个奇怪的现象
：动物体内数量占据绝对优势是体细胞
，在其细胞核里
，基因组DNA经常被缠绕成“棒槌”一样的线轴
，“线轴”的核心是组蛋白——八个组蛋白的聚集体
。但在成熟精子细胞中
，却是另外一种情形
。成熟精子细胞核中的组蛋白被鱼精蛋白替换
。
这种“置换”的目的似乎是为了让精子的“脑袋”更尖
。更致密的“线轴”是为了保证遗传的稳定性
。而且只有这一“置换”顺利完成
，精子才会变得活力四射
。否则
，精子就“身材走样儿”
，游动能力低下
，甚至没有活力
。
这一“置换”过程是如何发生的
，哪些基因
、蛋白或其他细胞内物质参与其中
？人们知之甚少
。
直到2010年
，科学家发现
，只有当“线轴”中的H2A和H2B组蛋白发生了泛素化
，“置换”才会发生
。名为RNF8的“组蛋白泛素连接酶”调控了这一过程
，因为H2A和H2B的泛素化标签
，是它添加上去的
。
泛素是细胞中分子量很小的一种蛋白
。它如一个倒计时牌
，一旦一连串的泛素被“挂到”某蛋白上
，如组蛋白上
，就表明该组蛋白即将“寿终正寝”
，被清运到“垃圾场”降解
。
但谁调控了RNF8
，谁触发了“置换”过程
？
人们对此一无所知
。
转机大约在三年前出现
。2013年
，刘默芳带领的团队对PIWI家族的蛋白研究
，有了新的发现
。
自毁结构域D-box失效
作为一种生物大分子
，PIWI家族的蛋白的结构
，被研究者分为包括“氨基端”等在内的四个结构域（domain）
。一直以来
，唯有其“氨基端”的功能重要性不详
。
刘默芳团队率先发现
，该家族蛋白的氨基端存在D-box结构域（自毁结构域
，destruction box）
。从其名字
，人们或许会想到“原地旋转
，自行爆炸”的动漫场景
。而相关研究证实
，D-box结构域的确与PIWI家族的蛋白
，如HIWI蛋白
、MIWI蛋白等的正常清除有关
。
精子的产生和成熟过程
。
上文三名患有“无精子症”的患者体内关于Hiwi基因的突变
，均对应发生在HIWI蛋白的D-box结构域
。这一功能结构域的异常
，导致HIWI蛋白在精子变形后期
、将要成熟的阶段
，不能被正常清除
。
D-box结构域的异常
，对RNF8产生了哪些影响
？
研究人员在小鼠中进行了进一步的研究
。在小鼠中
，与HIWI对应的PIWI蛋白
，被称为“MIWI蛋白”
。
刘默芳团队的苟兰涛
、戴鹏等人研究发现
，MIWI蛋白可以与RNF8蛋白结合
，导致RNF8在细胞质中滞留
。
正常情况下
，在精子变形后期
、精子将要成熟的阶段
，MIWI蛋白会被清除
，RNF8得以入核
，并发挥其泛素连接酶的功能
，使精子细胞核中DNA“线轴”核心的组蛋白被泛素化
。
但是
，当研究人员在小鼠中引入前述Piwi基因突变时
，这些突变基因编码产生了D-box结构域异常的MIWI蛋白
。该蛋白不能在精子成熟阶段被正常清除
，导致RNF8在细胞质中持续滞留
，进而导致精子细胞核中的组蛋白缺少泛素化修饰
。这种泛素化标签的缺乏
，使得精子DNA“线轴”换装失败——其组蛋白没有被鱼精蛋白置换
。
这种巨变
，让正在走向成熟的精子细胞永远停留在了“青春期”——形态畸形
，缺乏尖尖的脑袋
，活力也不佳
。最终的结果是
，这些患者的精液中没有成熟的
、有功能的
、合格的精子
，导致“无精子症”和男性不育
。
研究人员发现
，当他们用RNF8-N肽段大量消耗精子细胞中非正常的MIWI蛋白
，阻止该蛋白对RNF8的拦截时
，精子细胞将被拯救
，成功度过“青春期”
，成熟并变得活力十足
。
当然
，研究人员强调
，该干预措施是否能成为一种通用的治疗手段
，还有待现实的考量
。
