清華生命學(xué)院施一公研究組發(fā)文報(bào)道釀酒酵母內(nèi)含子套索剪接體的三維結(jié)構(gòu)
清華新聞網(wǎng)9月15日電 9月15日，清華大學(xué)生命學(xué)院施一公教授研究組于《細(xì)胞》（Cell）雜志就剪接體的結(jié)構(gòu)與機(jī)理研究再發(fā)最新成果，題目為《釀酒酵母內(nèi)含子套索剪接體的結(jié)構(gòu)》（Structure of an Intron Lariat Spliceosome from Saccharomyces cerevisiae），該文報(bào)道了RNA剪接循環(huán)中剪接體最后一個(gè)狀態(tài)的高分辨率三維結(jié)構(gòu)，為闡明剪接體完成催化功能后受控解聚的分子機(jī)制提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，從而將對(duì)RNA剪接（RNA Splicing）分子機(jī)理的理解又向前推進(jìn)了一步。
真核生物的基因表達(dá)相比于原核生物更為復(fù)雜精細(xì)。由于真核細(xì)胞內(nèi)的基因是不連續(xù)的，它需要在細(xì)胞核內(nèi)被轉(zhuǎn)錄成前體信使RNA。通過(guò)RNA剪接，不具有翻譯功能的內(nèi)含子被去除，密碼子所在的外顯子被連接，從而得到成熟的、可被翻譯成蛋白質(zhì)的信使RNA。
RNA剪接是真核生物基因表達(dá)調(diào)控的重要環(huán)節(jié)之一，而負(fù)責(zé)執(zhí)行這一過(guò)程的是細(xì)胞核內(nèi)一個(gè)巨大的且高度動(dòng)態(tài)變化的分子機(jī)器——剪接體（spliceosome）。剪接體在真核生物進(jìn)化中極為保守，這一點(diǎn)對(duì)于真核生物維持正常的生命活動(dòng)至關(guān)重要。一個(gè)基因轉(zhuǎn)錄出的前體信使RNA 可以通過(guò)RNA剪接成若干種信使RNA，于是極大地豐富了真核生物蛋白質(zhì)組的多樣性。在剪接反應(yīng)過(guò)程中，多種蛋白質(zhì)-核酸復(fù)合物及剪接因子按照高度精確的順序發(fā)生結(jié)合和解聚，依次形成預(yù)組裝復(fù)合物U4/U6.U5 三小核核糖核蛋白復(fù)合物（Tri-snRNP）以及至少7個(gè)狀態(tài)的剪接體B、Bact、B*、C、C*、P以及內(nèi)含子套索剪接體復(fù)合物（ILS complex，Intron Lariat Spliceosome）（圖1）。
圖1. RNA剪接示意圖。
施一公研究組此次報(bào)道的正是釀酒酵母RNA剪接循環(huán)中最后一個(gè)狀態(tài)的內(nèi)含子套索剪接體總體分辨率分別達(dá)到3.5埃的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)（圖2）。在這個(gè)結(jié)構(gòu)中，第一次觀(guān)察到了參與剪接體解聚的4個(gè)關(guān)鍵蛋以及在剪接體解聚過(guò)程中具有重要作用的一個(gè)剪接因子。該結(jié)構(gòu)的解析，補(bǔ)充了mRNA剪接后期剪接體解聚的關(guān)鍵信息，描述了剪接體完成轉(zhuǎn)酯反應(yīng)后、即將解聚前的催化反應(yīng)活性中心的變化，并從結(jié)構(gòu)生物學(xué)的角度提出了兩種可能的剪接體解聚的分子模型（圖3）。該結(jié)構(gòu)的解析為領(lǐng)域內(nèi)對(duì)剪接體解聚機(jī)理長(zhǎng)達(dá)多年的猜測(cè)提供了重要依據(jù)。
圖2. 釀酒酵母內(nèi)含子套索剪接體的三維結(jié)構(gòu)。
圖3. 剪接體解聚模型。
清華大學(xué)施一公教授研究組一直致力于捕捉RNA剪接過(guò)程中處于不同動(dòng)態(tài)變化的剪接體結(jié)構(gòu)，從而從分子層面闡釋RNA剪接的工作機(jī)理。2015年，施一公研究組率先突破，在世界上首次報(bào)道了裂殖酵母剪接體3.6埃的高分辨率結(jié)構(gòu)，首次展示了剪接體催化中心近原子分辨率的結(jié)構(gòu)。
此后，施一公研究組相繼解析了5個(gè)不同狀態(tài)剪接體復(fù)合物的高分辨率結(jié)構(gòu)，分別是釀酒酵母3.8埃的預(yù)組裝復(fù)合物U4/U6.U5 三小核核糖核蛋白復(fù)合物、3.5埃的激活狀態(tài)復(fù)合物Bact complex、3.4埃的第一步催化反應(yīng)后復(fù)合物C complex、4.0埃的第二步催化激活狀態(tài)下的C* complex，以及本文3.5埃的內(nèi)含子套索剪接體復(fù)合物的結(jié)構(gòu)。這個(gè)5個(gè)不同狀態(tài)的剪接體基本覆蓋了整個(gè)剪接通路中從預(yù)組裝到激活、從發(fā)生兩步轉(zhuǎn)酯反應(yīng)到剪接體的解聚的關(guān)鍵催化步驟，呈現(xiàn)了迄今為止最為清晰的剪接體不同工作狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)信息，將RNA剪接領(lǐng)域的發(fā)展推向了新的高度。施一公教授因此于不久前獲得未來(lái)科學(xué)大獎(jiǎng)生命醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。
清華大學(xué)生命學(xué)院施一公教授為本文的通訊作者；清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院五年級(jí)博士研究生萬(wàn)蕊雪、生命學(xué)院博士后閆創(chuàng)業(yè)以及生命學(xué)院三年級(jí)博士研究生白蕊為該文的共同第一作者；清華大學(xué)冷凍電鏡平臺(tái)的雷建林博士為冷凍電鏡數(shù)據(jù)收集提供了幫助；中科院上海生命科學(xué)研究院生物化學(xué)與細(xì)胞生物學(xué)研究所黃超蘭研究員與黃敏參與樣品質(zhì)譜鑒定的合作。電鏡數(shù)據(jù)采集于清華大學(xué)冷凍電鏡平臺(tái)，計(jì)算工作得到清華大學(xué)高性能計(jì)算平臺(tái)、國(guó)家蛋白質(zhì)設(shè)施實(shí)驗(yàn)技術(shù)中心(北京)的支持。本工作獲得了北京結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心及國(guó)家自然科學(xué)基金委的經(jīng)費(fèi)支持。
原文鏈接：
http://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(17)30954-6
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http://science.sciencemag.org/content/early/2015/08/19/science.aac8159
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http://science.sciencemag.org/content/early/2016/07/20/science.aag2235
http://science.sciencemag.org/content/early/2016/12/14/science.aak9979.full
供稿：生命學(xué)院 編輯：悸寔 華山
