施一公等在《科学》发文报道酵母剪接体三维结构

2016年12月16日，清华大学生命研究所和结构生物学高级创新中心的施一公教授团队在《科学》杂志上发表了一篇关于拼接体结构和机制的长篇文章。题目是“第二步催化活化状态下的酵母剪接结构”。本文报道了酿酒酵母剪接体在第二步剪接反应开始前的工作状态下的三维结构，并通过第一步剪接反应完成后的构象变化阐明了剪接体开始第二步反应的激活机制，从而进一步揭示了前体信使核糖核酸剪接反应(前核糖核酸剪接，以下简称核糖核酸剪接)的分子机制。

由于真核生物基因编码区中存在未翻译成蛋白质的序列(称为内含子)，从染色体DNA转录的前体信使核糖核酸(前信使核糖核酸)不直接参与蛋白质翻译，但需要除去内含子片段才能进入核糖体进行蛋白质合成。内含子的去除需要两步酯交换反应:首先，高度保守的腺嘌呤核苷酸(A)位于内含子序列下游的一个称为分支点序列的序列中，其2’羟基亲核试剂攻击内含子5’端的鸟嘌呤(G)，因此第一步反应发生形成套索结构；然后，暴露在5’外显子末端的3’-羟基攻击内含子3’末端的鸟嘌呤，发生第二个反应，两个外显子连接在一起。通过这两个反应，前体信使核糖核酸中具有不同数量和长度的内含子被消除，而剩余的外显子以特定的序列连接形成成熟的信使核糖核酸(mRNA)(图1)。

图1基因剪接反应示意图(图片来源:细胞)

这两个化学反应是由一个大的、复杂的、动态的分子机器——细胞中的接合体——催化的。对于每个内含子，为了调节反应的不同组在适当的时间呈现适当的构象以便发挥它们的活性，接合子的组分以高度精确的顺序结合和解离，以组装一系列具有不同构象的分子机器，统称为接合子。根据它们在核糖核酸剪接过程中的生化特性，这些剪接体可分为几种状态，如B、Bact、B*、C、P、ILS等。在组装、活化和催化反应过程中获得不同状态的剪接体结构是最基本和最具挑战性的结构生物学问题之一。

2015年8月，石研究组率先突破，在世界上首次报道了处于离子液体状态的裂殖子酵母剪接体的3.6埃高分辨率结构。2016年7月22日，施一公教授的研究团队在《科学》在线发表了连续的长篇文章，首次报道了酿酒酵母接合子处于活化状态(也称为细菌复合物)，并且在第一次催化反应(催化步骤1接合子，也称为C复合物)之后，近原子分辨率接合子结构是第一次完整显示了在第一次酯交换反应之前和之后在前mrna和sn RNA中起催化作用的前mRNA和snRNA的反应状态然而，没有高分辨率的结构来证明由接合体催化的第二次酯交换的细节。

在最新发表的《科学》长文中，施一公教授的研究小组捕获了一个具有良好特性的酿酒酵母接合体样本。利用先进的单粒子冷冻电子显微镜技术和有效的数据分类方法，他们分别重建了总分辨率为4.0埃的冷冻电子显微镜结构。他们首次报道了酵母第二步催化活化状态下的剪接体结构。该结构的分析进一步补充了信使核糖核酸剪接过程的关键信息，描述了剪接体催化反应活性中心内部组分的变化和关键蛋白在从第一次转酯反应到第二次转酯反应过程中的参与，为理解第二次反应所需的3’剪接位点如何进入活性位点提供了重要的结构基础。值得注意的是，该结构的催化核心区的分辨率达到3.5埃，首次显示了酯交换反应的关键结构信息，填补了第二步酯交换反应详细信息的空白。

自2015年8月以来，施一公教授的研究团队已经报道了剪接反应中5个关键态剪接复合物的高分辨率结构，即3.8埃预组装复合物三snRNP、3.5埃活化态复合物Bact复合物、3.4埃第一次后催化反应复合物C复合物、4.0埃第二次后催化活化态C*复合物和3.6埃内含子套索剪接ILS复合物。这五种高分辨率结构所代表的剪接体状态基本涵盖了整个剪接途径中的关键催化步骤，提供了迄今为止不同工作状态下剪接体最清晰的结构信息，极大地推动了RNA剪接研究领域的发展。

施一公教授是这篇文章的通讯员。清华大学生命学院博士后结构生物学高级创新中心优秀学者严创业、医学院四年级博士生万和生命学院二年级博士生是本文的合著者。生命学院二年级的医生黄星宇参加了这项研究。电子显微镜数据采集自清华大学冷冻电子显微镜平台，计算工作得到清华大学高性能计算平台主席王东辉先生、国家蛋白质设施实验技术中心(北京)和荣智联的支持。这项工作得到了北京结构生物学高级创新中心和国家自然科学基金的支持。

图2 C*复杂三维结构图

本文来源于清华大学结构生物学高级创新中心微信公众账号

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