施一公教授研究組在《科學(xué)》發(fā)表兩篇論文
報(bào)道剪接體的三維結(jié)構(gòu)并闡述RNA剪接的分子結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)
清華新聞網(wǎng)8月23日電 8月21日，清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院施一公教授研究組在《科學(xué)》（Science）同時(shí)在線發(fā)表了兩篇背靠背研究長(zhǎng)文，題目分別為“3.6埃的酵母剪接體結(jié)構(gòu)”（Structure of a Yeast Spliceosome at 3.6 Angstrom Resolution）和“前體信使RNA剪接的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)”（Structural Basis of Pre-mRNA Splicing）。第一篇文章報(bào)道了通過(guò)單顆粒冷凍電子顯微技術(shù)（冷凍電鏡）解析的酵母剪接體近原子分辨率的三維結(jié)構(gòu)，第二篇文章在此結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了詳細(xì)分析，闡述了剪接體對(duì)前體信使RNA執(zhí)行剪接的基本工作機(jī)理。這在世界上首次捕獲了真核細(xì)胞剪接體復(fù)合物的高分辨率空間三維結(jié)構(gòu)，闡述了剪接體對(duì)前體信使RNA執(zhí)行剪接的基本工作機(jī)理。該成果的完成不僅初步解答了基礎(chǔ)生命科學(xué)領(lǐng)域長(zhǎng)期以來(lái)一直備受關(guān)注的核心問(wèn)題，也為進(jìn)一步揭示與剪接體相關(guān)疾病的發(fā)病機(jī)理提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。清華大學(xué)生命學(xué)院博士后閆創(chuàng)業(yè)、醫(yī)學(xué)院博士研究生杭婧和萬(wàn)蕊雪為兩篇文章的共同第一作者。施一公院士為兩篇文章的通訊作者。
基因剪接的分子機(jī)制示意圖。
細(xì)胞是生物體的基本組成單位；而基因表達(dá)是所有細(xì)胞最基礎(chǔ)也是最核心的生命活動(dòng)。在所有真核細(xì)胞中，基因表達(dá)分為三步進(jìn)行，分別由RNA聚合酶 (RNA polymerase)、剪接體(Spliceosome)、和核糖體 (Ribosome)執(zhí)行。第一步簡(jiǎn)稱轉(zhuǎn)錄（transcription），即儲(chǔ)存在遺傳物質(zhì)DNA序列中的遺傳信息通過(guò)RNA聚合酶的作用轉(zhuǎn)變成前體信使RNA（pre-mRNA）；第二步簡(jiǎn)稱剪接（splicing），即由多個(gè)內(nèi)含子和外顯子間隔形成的前體信使RNA通過(guò)剪接體的作用去除內(nèi)含子、連接外顯子，轉(zhuǎn)變?yōu)槌墒斓男攀筊NA；第三步簡(jiǎn)稱翻譯（translation），即成熟的信使RNA通過(guò)核糖體的作用轉(zhuǎn)變成蛋白質(zhì)，從而行使生命活動(dòng)的各種功能。描述這一過(guò)程的規(guī)律被稱為分子生物學(xué)的中心法則，多個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)圍繞此發(fā)現(xiàn)和闡述產(chǎn)生。其中，RNA聚合酶的結(jié)構(gòu)解析獲得2006年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，而核糖體的結(jié)構(gòu)解析獲得2009年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。
剪接體復(fù)合物的三維結(jié)構(gòu)。
剪接體是一個(gè)巨大而又復(fù)雜的動(dòng)態(tài)分子機(jī)器，其結(jié)構(gòu)解析的難度被普遍認(rèn)為高于RNA聚合酶和核糖體；雖然經(jīng)過(guò)了過(guò)去二十多年的不懈努力，全球的科學(xué)家們還沒(méi)有得到一個(gè)原子分辨率的剪接體結(jié)構(gòu)。剪接體由五個(gè)小核核糖核蛋白（snRNP）、十九號(hào)復(fù)合物（Nineteen Complex，簡(jiǎn)稱NTC）、十九號(hào)復(fù)合物相關(guān)蛋白（NTC Related）和一系列的輔助蛋白所構(gòu)成,共涉及到100多個(gè)蛋白質(zhì)和至少五條RNA分子。在剪接的過(guò)程中，剪接體以前體信使RNA分子為中心，按照高度精確的順序進(jìn)行逐步組裝并發(fā)生大規(guī)模結(jié)構(gòu)重組，使之得以完成復(fù)雜的剪接任務(wù)。剪接是真核細(xì)胞進(jìn)行正常生命活動(dòng)不可或缺的核心環(huán)節(jié)，因此具有重大的生物學(xué)意義。
許多人類疾病都?xì)w咎于基因的錯(cuò)誤剪接或是針對(duì)剪接體的調(diào)控錯(cuò)誤。人類35%的遺傳紊亂是由于基因突變導(dǎo)致單個(gè)基因的可變剪接引起的：比如，單個(gè)剪接位點(diǎn)的增加或缺失可能引起α-或β-地中海貧血癥；可變剪接平衡紊亂導(dǎo)致的某些外顯子不正常表達(dá)可能導(dǎo)致額顳骨癡呆癥。一些癌癥也與剪接因子的錯(cuò)誤調(diào)控有關(guān)。長(zhǎng)久以來(lái)，剪接體的結(jié)構(gòu)解析一直被認(rèn)為是最值得期待的結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究之一。
施一公教授領(lǐng)導(dǎo)的課題組從2009年開(kāi)始進(jìn)入剪接體研究的核心領(lǐng)域，致力于剪接體及其相關(guān)復(fù)合物的結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究，并在2014年初首次報(bào)道了剪接體復(fù)合物中重要蛋白質(zhì)Lsm蛋白七聚體以及其RNA結(jié)合狀態(tài)下的晶體結(jié)構(gòu)，這一成果被《自然》雜志收錄（原文鏈接：http://www.nature.com/nature/journal/v506/n7486/abs/nature12803.html）。之后，該課題組聚焦于極富挑戰(zhàn)性的攻堅(jiān)課題：完整剪接體的結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究。終于在今年五月份取得重大突破，捕獲了真核細(xì)胞剪接體復(fù)合物的高分辨率空間三維結(jié)構(gòu)。這一成果是生命科學(xué)領(lǐng)域的重大原創(chuàng)性突破，標(biāo)志著人類對(duì)生命過(guò)程和本質(zhì)的理解往前邁進(jìn)了關(guān)鍵一步。
在第一篇論文中，施一公教授研究組在對(duì)傳統(tǒng)的串聯(lián)親和層析法進(jìn)行改良之后，成功提取了內(nèi)源性表達(dá)的酵母剪接體復(fù)合物，利用先進(jìn)的冷凍電鏡圖像處理和三維重構(gòu)方法，獲得了剪接體高分辨率的三維結(jié)構(gòu)。在結(jié)構(gòu)中可以看出，剪接體的外形輪廓十分不對(duì)稱，各個(gè)蛋白相互纏繞，形成了分子量和體積巨大的復(fù)合物。第二篇論文對(duì)剪接體的RNA組分進(jìn)行了細(xì)致的結(jié)構(gòu)分析，搭建了前體信使RNA被剪切、連接的原子模型，闡述了剪接反應(yīng)進(jìn)行的分子機(jī)制。
這一研究成果具有極為重要的意義。自1993年RNA剪接的發(fā)現(xiàn)被授予諾貝爾生理及醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)以來(lái)，科學(xué)家們一直在步履維艱地探索其中的分子奧秘，期待早日揭示這個(gè)復(fù)雜過(guò)程的分子機(jī)理。剪接體近原子分辨率結(jié)構(gòu)的解析不僅初步解答了這一基礎(chǔ)生命科學(xué)領(lǐng)域長(zhǎng)期以來(lái)備受關(guān)注的核心問(wèn)題，又為進(jìn)一步揭示與剪接體相關(guān)疾病的發(fā)病機(jī)理提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)和理論指導(dǎo)。
此項(xiàng)研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金和科技部重大研究計(jì)劃的資助。數(shù)據(jù)收集、處理分別依托于清華大學(xué)冷凍電鏡平臺(tái)和高性能計(jì)算平臺(tái)，樣品的質(zhì)譜鑒定與上海生化所黃超蘭研究組合作完成。
附：《科學(xué)》雜志兩篇論文鏈接：
http://m.sciencemag.org/content/early/2015/08/19/science.aac7629
http://m.sciencemag.org/content/early/2015/08/19/science.aac8159
編輯：淑霞 蕾蕾
