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施一公研究组在《科学》发表研究长文

来源:清华大学结构生物学高精尖创新中心 2018-01-09 09:58



2018年1月4日,清华大学生命学院、结构生物学高精尖创新中心施一公教授研究组于《科学》(Science)以研究长文形式(Research Article)在线发表了题为《人源剪接体第一步催化反应状态的结构》(Structure of a human catalytic step I spliceosome)。这是该研究组于2017年5月解析了第一个高分辨率的人源剪接体(C* complex)结构之后,再次在近原子分辨率的尺度上观察到人源剪接体的结构(第一步反应后的催化状态,C complex),进一步揭示了剪接体催化的机理,为理解高等生物的RNA剪接过程提供了重要基础。

真核生物细胞中,大部分基因是不连续的,它们的编码区(exon)被称为“内含子(intron)”的非编码序列所隔断。在基因表达过程中,内含子需要经过“剪”和“接”这两步化学反应被去除,从而使得编码区可以连接成不同的信使RNA(mRNA)。同一个基因,因为内含子的边界和数量不同,经过剪接,便可以产生出多种编码蛋白的mRNA。RNA剪接是所有真核生物特有的过程,是真核生物“中心法则”的关键步骤之一,也被认为是真核生物复杂性的重要分子基础。RNA剪接过程必须高度精准,任何错误都有可能导致基因表达异常乃至疾病的发生。据统计,大约1/3以上的基因遗传性疾病与RNA剪接异常有关。

RNA剪接这一复杂的生理过程由剪接体(spliceosome)来执行。剪接体是细胞中已知的最为复杂的大分子机器,分子量巨大并且高度动态,主要由蛋白质-核酸形成的复合物(ribonucleoprotein,RNP)组装形成,它在前体信使RNA(pre-mRNA)上完成识别、组装、激活、催化等一系列过程,并最终在反应结束后解离成许多小的功能单元,以进入下一个反应循环。根据剪接体的组成与构象的不同,可以将剪接体分为E、A、B、Bact、B*、C、C*、P、ILS等若干状态(图1)。


图1. 剪接反应过程示意图(图片来自Shi,2017)

解析剪接体的高分辨率结构对于理解剪接反应的机理至关重要。2015年8月,施一公课题组在世界上率先解析了酵母剪接体的高分辨率结构,在2016-2017年又陆续报道了酵母剪接体在不同工作状态下的高分辨结构和第一个高分辨率的人源剪接体结构,提供了迄今为止最为全面和清晰的剪接体结构信息,揭示了RNA剪接的分子基础,极大地推动了这一领域的发展。

在最新发表的《科学》研究长文中,施一公研究组利用体外合成的pre-mRNA,在剪接反应的小分子抑制剂的帮助下,体外将剪接反应锁定在了第一步反应之后的状态,即C complex。与人源剪接体C* complex类似,C complex非常不稳定,研究人员使用化学交联剂在温和的条件下对剪接体进行固定,成功获得了较为稳定的样品,并采用单颗粒冷冻电镜重构出了4.1埃的近原子分辨率结构(图2)。


图2. 人源剪接体C complex的结构示意图

施一公教授为本文通讯作者;生命学院16级博士生占谢超、结构生物学高精尖创新中心卓越学者闫创业、PTN项目15级博士生张晓峰为本文共同第一作者,闫创业博士同时为本文共同通讯作者;清华大学冷冻电镜平台主管雷建林研究员协助数据收集,平台工作人员李晓梅、李晓敏、胡晓风在数据收集过程中提供了帮助;药学院祖连锁老师研究组提供了小分子抑制剂;本课题得到了清华大学冷冻电镜平台,高性能计算平台、国家蛋白质设施实验技术中心(北京)的大力支持;本工作主要获得北京市结构生物学高精尖创新中心的经费支持,并获得了国家自然科学基金委以及科技部的资助。(生物谷Bioon.com)

原文链接:

http://science.sciencemag.org/content/early/2018/01/03/science.aar6401
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