2017年5月12日，清華大學生命學院、結(jié)構(gòu)生物學高精尖創(chuàng)新中心施一公研究組于《細胞》（Cell）在線發(fā)表了題為《人源剪接體的原子分辨率結(jié)構(gòu)》（An Atomic Structure of the Human Spliceosome）。這是第一個高分辨率的人源剪接體結(jié)構(gòu)，也是首次在近原子分辨率的尺度上觀察到酵母以外的、來自高等生物的剪接體的結(jié)構(gòu)，進一步揭示了剪接體的組裝和工作機理，為理解高等生物的RNA剪接過程提供了重要基礎(chǔ)。

在真核生物細胞內(nèi)，大多數(shù)基因是不連續(xù)的，它們的編碼區(qū)（exon）被稱為“內(nèi)含子（intron）”的非編碼序列隔斷。在基因表達過程中，內(nèi)含子需要經(jīng)過“剪”和“接”這兩步化學反應(yīng)被去除，從而使得編碼區(qū)可以連接成不同的信使RNA（mRNA）。同一個基因，因為內(nèi)含子的邊界和數(shù)量不同，經(jīng)過剪接，便可以產(chǎn)生出多種編碼蛋白的mRNA。RNA剪接是所有真核生物特有的過程，是真核生物“中心法則”的關(guān)鍵步驟之一，也被認為是真核生物復雜性的重要分子基礎(chǔ)。RNA剪接過程必須高度精準，任何錯誤都有可能導致基因表達異常乃至疾病的發(fā)生。據(jù)統(tǒng)計，1/3以上的遺傳性疾病與RNA剪接異常有關(guān)。

RNA剪接這一復雜的生理過程由剪接體（spliceosome）來執(zhí)行。剪接體是細胞中已知的最為復雜的大分子機器，分子量巨大并且高度動態(tài)，主要由蛋白質(zhì)-核酸形成的復合物（ribonucleoprotein，RNP）組裝形成，它在前體信使RNA（pre-mRNA）上完成識別、組裝、激活、催化等一系列過程，并最終在反應(yīng)結(jié)束后解離成許多小的功能單元，以進入下一個反應(yīng)循環(huán)。根據(jù)剪接體的組成與構(gòu)象的不同，可以將剪接體分為E、A、B、Bact、B^*、C、C^*、P、ILS等若干狀態(tài)（圖1）。

圖1. 剪接反應(yīng)過程示意圖

（圖片修改自Janine，2012）

解析剪接體的高分辨率結(jié)構(gòu)對于理解剪接反應(yīng)的機理至關(guān)重要。2015年8月，施一公課題組在世界上率先解析了酵母剪接體的高分辨率結(jié)構(gòu)，在2016年又陸續(xù)報道了酵母剪接體在不同工作狀態(tài)下的高分辨結(jié)構(gòu)，提供了迄今為止最為全面和清晰的剪接體結(jié)構(gòu)信息，揭示了RNA剪接的分子基礎(chǔ)，極大地推動了這一領(lǐng)域的發(fā)展。

然而與酵母剪接體相比，以人類為代表的高等生物的剪接體組成、組裝和調(diào)控更為復雜，其結(jié)構(gòu)研究也因為組成的復雜性和構(gòu)象的不穩(wěn)定性而進展緩慢。由于超過1/3的人類遺傳病與剪接過程中的錯誤直接相關(guān)，解析人源剪接體的結(jié)構(gòu)不僅能幫助理解剪接反應(yīng)的化學本質(zhì)，更能促進對一些疾病發(fā)病機制的理解，并為研發(fā)針對剪接體的相關(guān)藥物提供可能。因此人源剪接體的結(jié)構(gòu)解析是極其重要并亟需解決的難題。

在最新發(fā)表的《細胞》研究長文中，施一公研究組利用修飾過的pre-mRNA，在體外進行人源剪接體的組裝，把剪接反應(yīng)鎖定在了第一步反應(yīng)之后與第二步反應(yīng)之前的狀態(tài)，即C^*狀態(tài)。由于人源剪接體非常不穩(wěn)定，研究人員使用化學交聯(lián)劑在溫和的條件下對剪接體進行固定，成功獲得了穩(wěn)定的人源剪接體樣品，并采用單顆粒冷凍電鏡重構(gòu)出了3.8埃的近原子分辨率結(jié)構(gòu)（圖2和圖3）。

圖2. 人源剪接體的結(jié)構(gòu)示意圖

圖3. 人源剪接體與酵母剪接體的比較

在該結(jié)構(gòu)中，剪接體核心區(qū)分辨率高達3.0-3.5埃，清晰地展示了由20余個蛋白與RNA組成的催化反應(yīng)中心的結(jié)構(gòu)（圖4 ）。同時，他們觀察到與第二步反應(yīng)密切相關(guān)的剪接因子所呈現(xiàn)出的特定構(gòu)象，對于穩(wěn)定反應(yīng)活性中心以及催化第二步轉(zhuǎn)酯反應(yīng)至關(guān)重要。該結(jié)構(gòu)的解析為揭示第二步反應(yīng)過程中剪接體的構(gòu)象變化以及3 剪接位點的識別提供了重要的結(jié)構(gòu)依據(jù)。

圖4 人源剪接體的催化中心與調(diào)控機制

施一公教授為本文通訊作者； PTN項目15級博士生張曉峰、結(jié)構(gòu)生物學高精尖創(chuàng)新中心卓越學者閆創(chuàng)業(yè)、醫(yī)學院博士生杭婧為本文共同第一作者，閆創(chuàng)業(yè)博士同時為本文共同通訊作者；生命學院博士后Lorenzo I. Finci 參與了這項研究；清華大學冷凍電鏡平臺主管雷建林研究員協(xié)助數(shù)據(jù)收集，平臺工作人員李曉梅、李曉敏在數(shù)據(jù)收集過程中提供了幫助；本課題得到了清華大學冷凍電鏡平臺，高性能計算平臺、國家蛋白質(zhì)設(shè)施實驗技術(shù)中心（北京）的大力支持；本工作主要獲得北京市結(jié)構(gòu)生物學高精尖創(chuàng)新中心的經(jīng)費支持，并獲得了國家自然科學基金委以及科技部的資助。

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