施一公研究组在《细胞》发表论文报道酿酒酵母 内含子套索剪接体的三维结构

 2017 年 9 月 15 日，清华大学生命学院施一公教授研究组于《细胞》 （Cell）杂志就剪接体的结构与机理研究再发最新成果，题目为《酿酒酵母内含子套索剪接体的结构》（Structure of an Intron Lariat Spliceosome from Saccharomyces cerevisiae），该文报道了 RNA 剪接循环中剪接体最后一个状态的高分辨率三维结构，为阐明剪接体完成催化功能后受控解聚的分子机制提供了结构基础，从而将对 RNA 剪接（RNA Splicing）分子机理的理解又推进了一步。

真核生物的基因表达相比于原核生物，更为复杂也更为精细。由于真核细胞 内的基因是不连续的，它需要在细胞核内被转录成前体信使 RNA，通过 RNA 剪接，不具有翻译功能的内含子被去除，密码子所在的外显子被连接，从而得到成熟的、可被翻译成蛋白质的信使 RNA。 RNA 剪接是真核生物基因表达调控的重要环节之一，而负责执行这一过程的是细胞核内一个巨大的且高度动态变化的分子机器——剪接体（spliceosome）。剪接体在真核生物进化中极为保守，对于真核生物维持正常的生命活动至关重要。一个基因转录出的前体信使 RNA 可以通过 RNA 剪接成若干种信使 RNA，于是极大地丰富了真核生物蛋白质组的多样性。在剪接反应过程中，多种蛋白质 - 核酸复合物及剪接因子按照高度精确的顺序发生结合和解聚，依次形成预组装复合物 U4/U6.U5 Tri-snRNP 以及至少 7 个状态的剪接体 B、Bact、B*、C、C*、P 以及 ILS 复合物（图 1）。

图 1 RNA 剪接示意图

（图片来源: Shi Y. Journal of Molecular Biology, 2017）

施一公研究组此次报道的正是酿酒酵母 RNA 剪接循环中最后一个状态的内含子套索剪接体（Intron Lariat Spliceosome, ILS）总体分辨率分别达到 3.5 埃的冷冻电镜结构（图 2）。在这个结构中，第一次观察到了参与剪接体解聚的 4 个关键蛋以及在剪接体解聚过程中具有重要作用的一个剪接因子。该结构的解析，补充了 mRNA 剪接后期剪接体解聚的关键信息，描述了剪接体完成转酯反应后、即将解聚前的催化反应活性中心的变化，并从结构生物学的角度提出了两种可能的剪接体解聚的分子模型（图 3）。该结构的解析为领域内对剪接体解聚机理长达多年的猜测提供了重要依据。

图 2 酿酒酵母内含子套索剪接体的三维结构

图 3 剪接体解聚模型

清华大学施一公教授研究组一直致力于捕捉 RNA 剪接过程中处于不同动态变化的剪接体结构，从而从分子层面阐释 RNA 剪接的工作机理。2015 年，施一公研究组率先突破，在世界上首次报道了裂殖酵母剪接体 3.6 埃的高分辨率结构，首次展示了剪接体催化中心近原子分辨率的结构。自 2015 年第一个剪接体结构发表以后，施一公研究组相继解析了 5 个不同状态剪接体复合物的高分辨率结构，分别是酿酒酵母 3.8 埃的预组装复合物 U4/U6.U5 Tri-snRNP、3.5 埃的激活状态复合物 Bact complex、3.4 埃的第一步催化反应后复合物 C complex、4.0 埃的第二步催化激活状态下的 C * complex，以及本文 3.5 埃的内含子套索剪接体 ILS complex 的结构。这个 5 个不同状态的剪接体基本覆盖了整个剪接通路中从预组装到激活、从发生两步转酯反应到剪接体的解聚的关键催化步骤，呈现了迄今为止最为清晰的剪接体不同工作状态下的结构信息，将 RNA 剪接领域的发展推向了新的高度。施一公教授因此于不久前刚刚获得未来科学大奖生命医学奖。

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