施一公再發Cell-幾乎逼近解析剪切體全部中間過程

2017年9月15日，清華大學生命學院施一公教授研究組於《細胞》 （Cell）雜誌就剪接體的結構與機理研究再發最新成果，題目為《釀酒酵母內含子套索剪接體的結構》（Structure of an Intron Lariat Spliceosome from Saccharomyces cerevisiae），該文報道了RNA剪接循環中剪接體最後一個狀態的高分辨率三維結構，為闡明剪接體完成催化功能後受控解聚的分子機制提供了結構基礎，從而將對RNA剪接（RNA Splicing）分子機理的理解又推進了一步。

真核生物的基因表達相比於原核生物，更為複雜也更為精細。由於真核細胞 內的基因是不連續的，它需要在細胞核內被轉錄成前體信使 RNA，通過RNA 剪接，不具有翻譯功能的內含子被去除，密碼子所在的外顯子被連接，從而得到成熟的、可被翻譯成蛋白質的信使 RNA。 RNA 剪接是真核生物基因表達調控的重要環節之一，而負責執行這一過程的是細胞核內一個巨大的且高度動態變化的分子機器——剪接體（spliceosome）。剪接體在真核生物進化中極為保守，對於真核生物維持正常的生命活動至關重要。一個基因轉錄出的前體信使RNA 可以通過RNA剪接成若干種信使RNA，於是極大地豐富了真核生物蛋白質組的多樣性。在剪接反應過程中，多種蛋白質-核酸複合物及剪接因子按照高度精確的順序發生結合和解聚，依次形成預組裝複合物U4/U6.U5 Tri-snRNP以及至少7個狀態的剪接體B、Bact、B*、C、C*、P以及ILS複合物（圖1）。

圖1 RNA剪接示意圖

（圖片來源: Shi Y. Journal of Molecular Biology, 2017）

施一公研究組此次報道的正是釀酒酵母RNA剪接循環中最後一個狀態的內含子套索剪接體（Intron Lariat Spliceosome, ILS）總體分辨率分別達到3.5埃的冷凍電鏡結構（圖2）。在這個結構中，第一次觀察到了參與剪接體解聚的4個關鍵蛋以及在剪接體解聚過程中具有重要作用的一個剪接因子。該結構的解析，補充了mRNA剪接後期剪接體解聚的關鍵信息，描述了剪接體完成轉酯反應後、即將解聚前的催化反應活性中心的變化，並從結構生物學的角度提出了兩種可能的剪接體解聚的分子模型（圖3）。該結構的解析為領域內對剪接體解聚機理長達多年的猜測提供了重要依據。

圖2 釀酒酵母內含子套索剪接體的三維結構

圖3剪接體解聚模型

清華大學施一公教授研究組一直致力於捕捉RNA剪接過程中處於不同動態變化的剪接體結構，從而從分子層面闡釋RNA剪接的工作機理。2015年，施一公研究組率先突破，在世界上首次報道了裂殖酵母剪接體3.6埃的高分辨率結構，首次展示了剪接體催化中心近原子分辨率的結構。自2015年第一個剪接體結構發表以後，施一公研究組相繼解析了5個不同狀態剪接體複合物的高分辨率結構，分別是釀酒酵母3.8埃的預組裝複合物U4/U6.U5 Tri-snRNP、3.5埃的激活狀態複合物Bact complex、3.4埃的第一步催化反應後複合物C complex、4.0埃的第二步催化激活狀態下的C* complex，以及本文3.5埃的內含子套索剪接體ILS complex的結構。這個5個不同狀態的剪接體基本覆蓋了整個剪接通路中從預組裝到激活、從發生兩步轉酯反應到剪接體的解聚的關鍵催化步驟，呈現了迄今為止最為清晰的剪接體不同工作狀態下的結構信息，將RNA剪接領域的發展推向了新的高度。施一公教授因此於不久前剛剛獲得未來科學大獎生命醫學獎。

清華大學生命學院施一公教授為本文的通訊作者；清華大學醫學院五年級博士研究生萬蕊雪、生命學院博士後閆創業以及生命學院三年級博士研究生白蕊為該文的共同第一作者；清華大學冷凍電鏡平臺的雷建林博士為冷凍電鏡數據收集提供了幫助；中科院上海生命科學研究院生物化學與細胞生物學研究所黃超蘭研究員與黃敏參與樣品質譜鑑定的合作。電鏡數據採集於清華大學冷凍電鏡平臺，計算工作得到清華大學高性能計算平臺、國家蛋白質設施實驗技術中心(北京)的支持。本工作獲得了北京結構生物學高精尖創新中心及國家自然科學基金委的經費支持。

原文鏈接：

http://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(17)30954-6

相關論文鏈接：

http://science.sciencemag.org/content/early/2016/01/06/science.aad6466

http://science.sciencemag.org/content/early/2015/08/19/science.aac8159

http://science.sciencemag.org/content/early/2015/08/19/science.aac7629

http://science.sciencemag.org/content/early/2016/07/20/science.aag0291

http://science.sciencemag.org/content/early/2016/07/20/science.aag2235

http://science.sciencemag.org/content/early/2016/12/14/science.aak9979.full