我國科學(xué)家揭示剪接體組裝及激活機制

日前，清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院施一公研究組就剪接體的組裝機理與結(jié)構(gòu)研究于《科學(xué)》期刊發(fā)表題為《完全組裝的釀酒酵母剪接體激活前結(jié)構(gòu)》的論文，報道了釀酒酵母剪接體處于被激活前階段的兩個完全組裝的關(guān)鍵構(gòu)象——預(yù)催化剪接體前體和預(yù)催化剪接體。

這兩個高分辨率三維結(jié)構(gòu)首次展示了在剪接體組裝過程中剪接位點和分支點的識別狀態(tài)與動態(tài)變化，回答了剪接體激活前剪接位點和分支點識別機理，以及激活過程中剪接體如何逐步組裝并通過結(jié)構(gòu)重組最終完成激活等重要問題。據(jù)介紹，之前研究界尚未清楚解釋剪接體是如何逐步組裝并完成激活的機制。

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。1977年，美國科學(xué)家菲利普·夏普和理查德·羅伯茨分別獨立發(fā)現(xiàn)真核生物基因的不連續(xù)性，從而表明遺傳信息從DNA轉(zhuǎn)移到RNA上之后，需要經(jīng)歷有效遺傳信息的“剪斷”與重新“拼接”，這種有效遺傳信息的拼接與無效遺傳信息的去除，被稱為RNA剪接，他們也因此分享了1993年的諾貝爾生理或醫(yī)學(xué)獎。

RNA剪接普遍存在于真核生物中，隨著物種的進化，含有內(nèi)含子的基因數(shù)量增加，發(fā)生RNA剪接的頻率也相應(yīng)增高，從而使得一個基因可以編碼多個蛋白質(zhì)。RNA剪接的本質(zhì)是兩步轉(zhuǎn)酯反應(yīng)，這種看似簡單的化學(xué)反應(yīng)在細(xì)胞中難以自行發(fā)生，而負(fù)責(zé)執(zhí)行這一化學(xué)反應(yīng)的是細(xì)胞核內(nèi)一個分子量巨大成分復(fù)雜且高度動態(tài)變化的分子機器——剪接體。

由于剪接體高度的動態(tài)性和化學(xué)組成的復(fù)雜性，獲得不同狀態(tài)的剪接體的高分辨率三維結(jié)構(gòu)被公認(rèn)為世界難題。施一公教授率領(lǐng)研究組，在2015年首次報道了裂殖酵母剪接體3.6埃（1埃為十億分之一米）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)。

據(jù)介紹，本文報道的處于激活前的兩個完全組裝的剪接體結(jié)構(gòu)，從復(fù)合物的提純、樣品的制備到結(jié)構(gòu)的解析，每一步都很有挑戰(zhàn)。預(yù)催化剪接體前體目前被認(rèn)為是組成蛋白最多、分子量最大的剪接體，該狀態(tài)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但各組分之間的相互作用并不緊密，使得該復(fù)合物在提純過程中容易解聚。在最新發(fā)表的這篇文章中，研究組對提純方案多次探索，最終優(yōu)化出一套純化方案，可以獲得穩(wěn)定的、性質(zhì)良好的預(yù)催化剪接體前體樣品。

該文解析的預(yù)催化剪接體前體結(jié)構(gòu)是目前世界上已解析的唯一一個同時包含5種核糖核蛋白剪接體結(jié)構(gòu)，它由68個蛋白和6條RNA組成。在該結(jié)構(gòu)中，首次觀察到了剪接體組裝早期U1核糖核蛋白對5\'剪接位點的識別，以及5種核糖核蛋白之間的相互作用界面。除此之外，分支點的動態(tài)變化、剪接體的各組分所經(jīng)歷的結(jié)構(gòu)重組與構(gòu)象改變也都清晰的呈現(xiàn)出來。

這兩個關(guān)鍵狀態(tài)剪接體結(jié)構(gòu)的解析，為揭示剪接體組裝初期如何識別5\'剪接位點和分支點、如何進行結(jié)構(gòu)重組以及如何完成剪接體的激活等問題的機理提供了最直接、有效的結(jié)構(gòu)證據(jù)，也將為更高等真核生物可變剪接的研究提供結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)與理論依據(jù)。

自2015年至今，施一公研究組在酵母中一共解析了9個不同狀態(tài)的剪接體高分辨的三維結(jié)構(gòu)，從組裝到被激活，從發(fā)生兩步轉(zhuǎn)酯反應(yīng)到剪接體的解聚，這9個狀態(tài)的剪接體基本完整覆蓋了剪接通路，首次將剪接體介導(dǎo)RNA剪接的過程串聯(lián)起來，為理解RNA剪接的分子機理提供了迄今為止最清晰、最全面的結(jié)構(gòu)信息。

《 人民日報 》（ 2018年06月04日 12 版）