科研試劑廠家-齊一生物

清華大學(xué)生命學(xué)院、結(jié)構(gòu)生物學(xué)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*個高分辨率的人源剪接體結(jié)構(gòu)，也是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(xué)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*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(fù)雜性的重要分子基礎(chǔ)。RNA 剪接過程必須高度，任何錯誤都有可能導(dǎo)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(fù)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zui為復(fù)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(fù)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zui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zui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(fù)雜，其結(jié)構(gòu)研究也因為組成的復(fù)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(xué)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*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(xué)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(xué)高精尖創(chuàng)新中心學(xué)者閆創(chuàng)業(yè)、醫(yī)學(xué)院博士生杭婧為本文共同*作者，閆創(chuàng)業(yè)博士同時為本文共同通訊作者；生命學(xué)院博士后 Lorenzo I. Finci 參與了這項研究；清華大學(xué)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(xué)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(xué)高精尖創(chuàng)新中心的經(jīng)費支持，并獲得了國家自然科學(xué)基金委以及科技部的資助