施一公研究組在《科學》背靠背發(fā)表兩篇論文
捕獲酵母剪接體兩個關鍵工作狀態(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，清華大學生命學院施一公教授研究組于《科學》（Science）雜志就剪接體的結(jié)構(gòu)與機理研究發(fā)表兩篇長文（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），報道了釀酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）剪接體激活和剪接反應催化過程中兩個重要狀態(tài)的剪接體復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。
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鍵一環(huán)。其主要執(zhí)行者是一個極其復雜的分子機器——剪接體。通過剪接反應，前體信使RNA中數(shù)量、長度不等的內(nèi)含子被剔除，剩下的外顯子按照特異順序連接起來從而形成成熟的信使RNA（mRNA），進一步在核糖體的催化下被翻譯成蛋白質(zhì)。RNA剪接的化學本質(zhì)就是前體信使RNA經(jīng)歷兩步轉(zhuǎn)酯反應完成剪和接在兩個關鍵步驟，而每一步都需要由剪接體催化完成。
剪接體是一個由大量蛋白因子介導、核酸（RNA）催化的金屬核酶（protein-directed metalloribozyme）。在剪接反應過程中，組成剪接體的蛋白質(zhì)-核酸復合物及剪接因子按照高度精確的順序進行結(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器，根據(jù)它們在RNA剪接過程中的生化性質(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過程中不同狀態(tài)的結(jié)構(gòu)是最基礎也是最富挑戰(zhàn)性的結(jié)構(gòu)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》論文中，施一公研究組進一步探索并優(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）。這兩個復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)酯反應前后pre-mRNA和起催化作用的snRNA的反應狀態(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)域的分辨率達到了2.8至3.0埃，清晰的展示出剪接反應中心的結(jié)構(gòu)信息，為解釋剪接體對pre-mRNA splicing的催化機制提供了迄今最為清晰的關鍵證據(jù)。
圖1： Bact complex電鏡密度及三維結(jié)構(gòu)示意圖。
如上兩個結(jié)構(gòu)與該研究組之前報道的ILS剪接體及2016年1月報道的3.8埃的釀酒酵母tri-snRNP結(jié)構(gòu)的對比更為深刻的揭示了剪接體在pre-mRNA剪接反應過程中作為核酶催化完成兩步轉(zhuǎn)酯反應的本質(zhì)，是RNA剪接研究領域的又一突破性進展。
圖2 ：C complex電鏡密度及三維結(jié)構(gòu)示意圖。
清華大學醫(yī)學院三年級博士生萬蕊雪、生命學院博士后閆創(chuàng)業(yè)、生命學院一年級博士生白蕊為兩篇文章的共同第一作者；生命學院一年級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)采集于清華大學冷凍電鏡平臺，計算工作得到清華大學高性能計算平臺、國家蛋白質(zhì)設施實驗技術中心(北京)、聯(lián)想高性能計算、以及榮之聯(lián)董事長王東輝先生的支持。本工作獲得了北京結(jié)構(gòu)生物學高精尖創(chuàng)新中心及國家自然科學基金委的經(jīng)費支持。
圖3：剪接反應機理圖解
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：生命學院 編輯：悸寔 李華山
