2017年5月12日，清華大學(xué)生命學(xué)院、結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心施一公研究組于《細(xì)胞》（Cell）在線發(fā)表了題為《人源剪接體的原子分辨率結(jié)構(gòu)》（An Atomic Structure of the Human Spliceosome）。這是第一個(gè)高分辨率的人源剪接體結(jié)構(gòu)，也是首次在近原子分辨率的尺度上觀察到酵母以外的、來(lái)自高等生物的剪接體的結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步揭示了剪接體的組裝和工作機(jī)理，為理解高等生物的RNA剪接過(guò)程提供了重要基礎(chǔ)。

在真核生物細(xì)胞內(nèi)，大多數(shù)基因是不連續(xù)的，它們的編碼區(qū)（exon）被稱為“內(nèi)含子（intron）”的非編碼序列隔斷。在基因表達(dá)過(guò)程中，內(nèi)含子需要經(jīng)過(guò)“剪”和“接”這兩步化學(xué)反應(yīng)被去除，從而使得編碼區(qū)可以連接成不同的信使RNA（mRNA）。同一個(gè)基因，因?yàn)閮?nèi)含子的邊界和數(shù)量不同，經(jīng)過(guò)剪接，便可以產(chǎn)生出多種編碼蛋白的mRNA。RNA剪接是所有真核生物特有的過(guò)程，是真核生物“中心法則”的關(guān)鍵步驟之一，也被認(rèn)為是真核生物復(fù)雜性的重要分子基礎(chǔ)。RNA剪接過(guò)程必須高度精準(zhǔn)，任何錯(cuò)誤都有可能導(dǎo)致基因表達(dá)異常乃至疾病的發(fā)生。據(jù)統(tǒng)計(jì)，1/3以上的遺傳性疾病與RNA剪接異常有關(guān)。

RNA剪接這一復(fù)雜的生理過(guò)程由剪接體（spliceosome）來(lái)執(zhí)行。剪接體是細(xì)胞中已知的最為復(fù)雜的大分子機(jī)器，分子量巨大并且高度動(dòng)態(tài)，主要由蛋白質(zhì)-核酸形成的復(fù)合物（ribonucleoprotein，RNP）組裝形成，它在前體信使RNA（pre-mRNA）上完成識(shí)別、組裝、激活、催化等一系列過(guò)程，并最終在反應(yīng)結(jié)束后解離成許多小的功能單元，以進(jìn)入下一個(gè)反應(yīng)循環(huán)。根據(jù)剪接體的組成與構(gòu)象的不同，可以將剪接體分為E、A、B、Bact、B^*、C、C^*、P、ILS等若干狀態(tài)（圖1）。

圖1. 剪接反應(yīng)過(guò)程示意圖

（圖片修改自Janine，2012）

解析剪接體的高分辨率結(jié)構(gòu)對(duì)于理解剪接反應(yīng)的機(jī)理至關(guān)重要。2015年8月，施一公課題組在世界上率先解析了酵母剪接體的高分辨率結(jié)構(gòu)，在2016年又陸續(xù)報(bào)道了酵母剪接體在不同工作狀態(tài)下的高分辨結(jié)構(gòu)，提供了迄今為止最為全面和清晰的剪接體結(jié)構(gòu)信息，揭示了RNA剪接的分子基礎(chǔ)，極大地推動(dòng)了這一領(lǐng)域的發(fā)展。

然而與酵母剪接體相比，以人類為代表的高等生物的剪接體組成、組裝和調(diào)控更為復(fù)雜，其結(jié)構(gòu)研究也因?yàn)榻M成的復(fù)雜性和構(gòu)象的不穩(wěn)定性而進(jìn)展緩慢。由于超過(guò)1/3的人類遺傳病與剪接過(guò)程中的錯(cuò)誤直接相關(guān)，解析人源剪接體的結(jié)構(gòu)不僅能幫助理解剪接反應(yīng)的化學(xué)本質(zhì)，更能促進(jìn)對(duì)一些疾病發(fā)病機(jī)制的理解，并為研發(fā)針對(duì)剪接體的相關(guān)藥物提供可能。因此人源剪接體的結(jié)構(gòu)解析是極其重要并亟需解決的難題。

在最新發(fā)表的《細(xì)胞》研究長(zhǎng)文中，施一公研究組利用修飾過(guò)的pre-mRNA，在體外進(jìn)行人源剪接體的組裝，把剪接反應(yīng)鎖定在了第一步反應(yīng)之后與第二步反應(yīng)之前的狀態(tài)，即C^*狀態(tài)。由于人源剪接體非常不穩(wěn)定，研究人員使用化學(xué)交聯(lián)劑在溫和的條件下對(duì)剪接體進(jìn)行固定，成功獲得了穩(wěn)定的人源剪接體樣品，并采用單顆粒冷凍電鏡重構(gòu)出了3.8埃的近原子分辨率結(jié)構(gòu)（圖2和圖3）。

圖2. 人源剪接體的結(jié)構(gòu)示意圖

圖3. 人源剪接體與酵母剪接體的比較

在該結(jié)構(gòu)中，剪接體核心區(qū)分辨率高達(dá)3.0-3.5埃，清晰地展示了由20余個(gè)蛋白與RNA組成的催化反應(yīng)中心的結(jié)構(gòu)（圖4 ）。同時(shí)，他們觀察到與第二步反應(yīng)密切相關(guān)的剪接因子所呈現(xiàn)出的特定構(gòu)象，對(duì)于穩(wěn)定反應(yīng)活性中心以及催化第二步轉(zhuǎn)酯反應(yīng)至關(guān)重要。該結(jié)構(gòu)的解析為揭示第二步反應(yīng)過(guò)程中剪接體的構(gòu)象變化以及3 剪接位點(diǎn)的識(shí)別提供了重要的結(jié)構(gòu)依據(jù)。

圖4 人源剪接體的催化中心與調(diào)控機(jī)制

施一公教授為本文通訊作者； PTN項(xiàng)目15級(jí)博士生張曉峰、結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心卓越學(xué)者閆創(chuàng)業(yè)、醫(yī)學(xué)院博士生杭婧為本文共同第一作者，閆創(chuàng)業(yè)博士同時(shí)為本文共同通訊作者；生命學(xué)院博士后Lorenzo I. Finci 參與了這項(xiàng)研究；清華大學(xué)冷凍電鏡平臺(tái)主管雷建林研究員協(xié)助數(shù)據(jù)收集，平臺(tái)工作人員李曉梅、李曉敏在數(shù)據(jù)收集過(guò)程中提供了幫助；本課題得到了清華大學(xué)冷凍電鏡平臺(tái)，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）的大力支持；本工作主要獲得北京市結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心的經(jīng)費(fèi)支持，并獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金委以及科技部的資助。

為防止簡(jiǎn)歷投遞丟失請(qǐng)抄送一份至：boshijob@126.com（郵件標(biāo)題格式：應(yīng)聘職位名稱+姓名+學(xué)歷+專業(yè)+中國(guó)博士人才網(wǎng)）