施一公研究組在《科學(xué)》背靠背發(fā)表兩篇論文
捕獲酵母剪接體兩個(gè)關(guān)鍵工作狀態(tài)高分辨率電鏡結(jié)構(gòu)
清華新聞網(wǎng)7月22日電 7月22日，清華大學(xué)生命學(xué)院施一公教授研究組于《科學(xué)》（Science）雜志就剪接體的結(jié)構(gòu)與機(jī)理研究發(fā)表兩篇長(zhǎng)文（Research Article），題目分別為《酵母剪接體激活狀態(tài)3.5埃的結(jié)構(gòu)》（Structure of a Yeast Activated Spliceosome at 3.5 Angstrom Resolution）和《第一步催化反應(yīng)后的酵母剪接體3.4埃的結(jié)構(gòu)》（Structure of a Yeast Catalytic Step I Spliceosome at 3.4 Angstrom Resolution），報(bào)道了釀酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）剪接體激活和剪接反應(yīng)催化過(guò)程中兩個(gè)重要狀態(tài)的剪接體復(fù)合物近原子分辨率的三維結(jié)構(gòu)，闡明了剪接體的激活和催化機(jī)制，從而進(jìn)一步揭示了前體信使RNA剪接反應(yīng)（pre-mRNA splicing，以下簡(jiǎn)稱RNA剪接）的分子機(jī)理。
RNA剪接是真核生物從DNA到蛋白質(zhì)信息傳遞中心法則的關(guān)鍵一環(huán)。其主要執(zhí)行者是一個(gè)極其復(fù)雜的分子機(jī)器——剪接體。通過(guò)剪接反應(yīng)，前體信使RNA中數(shù)量、長(zhǎng)度不等的內(nèi)含子被剔除，剩下的外顯子按照特異順序連接起來(lái)從而形成成熟的信使RNA（mRNA），進(jìn)一步在核糖體的催化下被翻譯成蛋白質(zhì)。RNA剪接的化學(xué)本質(zhì)就是前體信使RNA經(jīng)歷兩步轉(zhuǎn)酯反應(yīng)完成剪和接在兩個(gè)關(guān)鍵步驟，而每一步都需要由剪接體催化完成。
剪接體是一個(gè)由大量蛋白因子介導(dǎo)、核酸（RNA）催化的金屬核酶（protein-directed metalloribozyme）。在剪接反應(yīng)過(guò)程中，組成剪接體的蛋白質(zhì)-核酸復(fù)合物及剪接因子按照高度精確的順序進(jìn)行結(jié)合和解聚，并伴隨大規(guī)模的結(jié)構(gòu)重組，組裝成一系列具有不同組分和構(gòu)象的統(tǒng)稱為剪接體的分子機(jī)器，根據(jù)它們?cè)赗NA剪接過(guò)程中的生化性質(zhì)，這些剪接體又被人為區(qū)分為B、Bact、B*、C、P、ILS等若干狀態(tài)。獲取剪接體在激活及催化反應(yīng)過(guò)程中不同狀態(tài)的結(jié)構(gòu)是最基礎(chǔ)也是最富挑戰(zhàn)性的結(jié)構(gòu)生物學(xué)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(bào)道了裂殖酵母剪接體處于ILS狀態(tài)的3.6埃高分辨率結(jié)構(gòu)。
在最新發(fā)表的兩篇《科學(xué)》論文中，施一公研究組進(jìn)一步探索并優(yōu)化了蛋白提純方案，捕獲了性質(zhì)良好的釀酒酵母剪接體分別處于激活狀態(tài)（activated spliceosome，又稱為Bact complex）和第一步催化反應(yīng)后（catalytic step I spliceosome，又稱為C complex）的優(yōu)質(zhì)樣品，并利用單顆粒冷凍電鏡技術(shù)和高效的數(shù)據(jù)分類方法，重構(gòu)出了總體分辨率分別為3.5和3.4埃的兩個(gè)高分辨率冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，并搭建了原子模型（圖1，2）。這兩個(gè)復(fù)合物近原子分辨率三維結(jié)構(gòu)的解析，首次完整地展示了第一步轉(zhuǎn)酯反應(yīng)前后pre-mRNA和起催化作用的snRNA的反應(yīng)狀態(tài)，以及剪接體內(nèi)部蛋白組分的組裝情況。尤為值得一提的是，催化核心區(qū)域的分辨率達(dá)到了2.8至3.0埃，清晰的展示出剪接反應(yīng)中心的結(jié)構(gòu)信息，為解釋剪接體對(duì)pre-mRNA splicing的催化機(jī)制提供了迄今最為清晰的關(guān)鍵證據(jù)。
圖1： Bact complex電鏡密度及三維結(jié)構(gòu)示意圖。
如上兩個(gè)結(jié)構(gòu)與該研究組之前報(bào)道的ILS剪接體及2016年1月報(bào)道的3.8埃的釀酒酵母tri-snRNP結(jié)構(gòu)的對(duì)比更為深刻的揭示了剪接體在pre-mRNA剪接反應(yīng)過(guò)程中作為核酶催化完成兩步轉(zhuǎn)酯反應(yīng)的本質(zhì)，是RNA剪接研究領(lǐng)域的又一突破性進(jìn)展。
圖2 ：C complex電鏡密度及三維結(jié)構(gòu)示意圖。
清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院三年級(jí)博士生萬(wàn)蕊雪、生命學(xué)院博士后閆創(chuàng)業(yè)、生命學(xué)院一年級(jí)博士生白蕊為兩篇文章的共同第一作者；生命學(xué)院一年級(jí)博士黃高興宇為第二篇文章的共同第一作者；施一公教授為通訊作者。電鏡數(shù)據(jù)采集于清華大學(xué)冷凍電鏡平臺(tái)，計(jì)算工作得到清華大學(xué)高性能計(jì)算平臺(tái)、國(guó)家蛋白質(zhì)設(shè)施實(shí)驗(yàn)技術(shù)中心(北京)、聯(lián)想高性能計(jì)算、以及榮之聯(lián)董事長(zhǎng)王東輝先生的支持。本工作獲得了北京結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心及國(guó)家自然科學(xué)基金委的經(jīng)費(fèi)支持。
圖3：剪接反應(yīng)機(jī)理圖解
原文鏈接：
http://science.sciencemag.org/content/early/2016/07/20/science.aag0291
http://science.sciencemag.org/content/early/2016/07/20/science.aag2235
相關(guān)論文鏈接：
http://science.sciencemag.org/content/early/2016/01/06/science.aad6466
http://science.sciencemag.org/content/early/2015/08/19/science.aac8159
http://science.sciencemag.org/content/early/2015/08/19/science.aac7629
供稿：生命學(xué)院 編輯：悸寔 李華山
