施一公等在《科學》發文報道酵母剪接體三維結構

來源：清華大學結構生物學高精尖創新中心

2016年12月16日，清華大學生命學院、結構生物學高精尖創新中心施一公教授研究組於《科學》（Science）雜誌就剪接體的結構與機理研究再髮長文（Research Article），題為《酵母剪接體處於第二步催化激活狀態下的結構》（Structure of a Yeast Step II Catalytically Activated Spliceosome），報道了釀酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）剪接體在即將開始第二步剪接反應前的工作狀態下的三維結構，闡明了剪接體在第一步剪接反應完成後通過構象變化起始第二步反應的激活機制，從而進一步揭示了前體信使RNA剪接反應（pre-mRNA splicing，以下簡稱RNA剪接）的分子機理。

由於真核生物中的基因編碼區中存在不翻譯成蛋白質的序列（稱為內含子），染色體DNA轉錄出來的前體mRNA（pre-mRNA）並不直接參与蛋白質翻譯，而是需要先將其中的內含子片段去除，才能進入核糖體進行蛋白質合成。內含子的去除需要通過兩步轉酯反應來實現：首先，位於內含子序列中下游被稱為分支點（branch point sequence）的序列中有一個高度保守的腺嘌呤核苷酸（A），其2』羥基親核攻擊內含子5』末端的鳥嘌呤（G），於是第一步反應發生，形成套索結構；然後，5』外顯子末端暴露出的3』-OH向內含子3』末端的鳥嘌呤發起攻擊，第二步反應發生，兩個外顯子連在一起。通過這兩步反應，前體信使RNA中數量、長度不等的內含子被剔除，剩下的外顯子按照特異順序連接起來從而形成成熟的信使RNA（mRNA）（圖1）。

圖1 基因剪接反應示意圖（圖片來源：《Cell》）

這兩步化學反應在細胞內是由一個龐大、複雜而動態的分子機器——剪接體催化完成的。對於每一個內含子來說，為了調控反應的各個基團在適當時機呈現合適的構象從而發揮其活性，剪接體各組分按照高度精確的順序結合和解離，組裝成一系列具有不同構象的分子機器，統稱為剪接體。根據它們在RNA剪接過程中的生化性質，這些剪接體又被區分為B、Bact、B*、C、P、ILS等若干狀態。獲取剪接體在組裝、激活、催化反應過程中各個狀態的結構是最基礎也是最富挑戰性的結構生物學難題之一。

2015年8月，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處於ILS狀態的3.6埃高解析度結構。2016年7月22日，施一公教授研究組在《科學》在線發表背靠背長文，首次報道了釀酒酵母剪接體分別處於激活狀態（activated spliceosome，又稱為Bact complex）和第一步催化反應後（catalytic step I spliceosome，又稱為C complex）的近原子解析度的剪接體結構，首次完整地展示了第一步轉酯反應前後pre-mRNA和其中起催化作用的snRNA的反應狀態，以及剪接體內部蛋白組分的組裝情況。但是對於剪接體催化第二步轉酯反應的細節，至今沒有高解析度的結構加以佐證。

在最新發表的《科學》長文中，施一公教授研究組捕獲了性質良好的釀酒酵母剪接體樣品，並利用先進的單顆粒冷凍電鏡技術和高效的數據分類方法，重構出了總體解析度分別為4.0埃的冷凍電鏡結構，首次報道了酵母第二步催化激活狀態下的剪接體結構。該結構的解析，進一步補充了mRNA剪接過程的關鍵信息，描述了從第一步轉酯反應到第二步轉酯反應過程中，剪接體催化反應活性中心內部組分的變化，以及關鍵蛋白的參與情況，為理解第二步反應所需的3』剪接位點是如何進入活性位點提供了重要的結構基礎。值得關注的是，該結構的催化核心區域的解析度達到3.5埃，第一次展示了轉酯反應進行中的關鍵結構信息，填寫了第二步轉酯反應細節信息的空白。

2015年8月至今，施一公教授研究組共報道了剪接反應中5個關鍵狀態剪接體複合物的高解析度結構，分別是3.8埃的預組裝複合物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3.6埃的內含子套索剪接體ILS complex。這5個高解析度結構所代表的剪接體狀態，基本覆蓋了整個剪接通路中關鍵的催化步驟，提供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，大大推動了RNA剪接研究領域的發展。

施一公教授為本文的通訊作者；清華大學生命學院博士後結構生物學高精尖創新中心卓越學者閆創業、醫學院四年級博士生萬蕊雪以及生命學院二年級博士生白蕊為該文的共同第一作者；生命學院二年級博士黃高興宇參與了這項研究；電鏡數據採集於清華大學冷凍電鏡平台，計算工作得到清華大學高性能計算平台、國家蛋白質設施實驗技術中心(北京)以及榮之聯董事長王東輝先生的支持。本工作獲得了北京市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。

圖2 C* complex三維結構示意圖

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