我科學家看清細胞中的特殊“剪刀” 解讀遺傳信息的核心分子機器

記者從西湖大學獲悉，該校生命科學學院施一公教授研究組1月29日在《科學》雜志發表論文，首次報道了迄今整體研究知之甚少的次要剪接體的高分辨率三維結構，展示了在剪接反應中的一個關鍵構象——激活態次要剪接體，整體分辨率高達2.9埃(1埃為0.1納米)。

此次研究突破，被視作RNA剪接領域一項里程碑式的工作，使施一公研究組成為世界上首個解析了次要剪接體高分辨率三維結構的團隊。施一公教授與西湖大學生命科學學院西湖學者萬蕊雪博士為論文的共同通訊作者;該學院博士后白蕊與萬蕊雪為本文的共同第一作者。

解讀遺傳信息的核心分子機器

次要剪接體是什么?研究它有什么意義?

簡單來說，剪接體是解讀遺傳信息的核心分子機器。

“在高等生物中，一段又一段的遺傳信息藏在核酸分子中。其中，‘無效’的遺傳信息不具有翻譯功能，被稱為內含子，而可以被核糖體翻譯的有效遺傳信息叫做外顯子。”萬蕊雪說。

萬蕊雪介紹，把這些遺傳密碼中“無效”的內含子“剪”出來，“有效”的外顯子“接”到一起的過程叫做RNA剪接，它是生命體解讀遺傳密碼的核心步驟。負責執行這一步驟的就是細胞核內復雜精密的分子機器——剪接體。

剪掉誰，剪掉多長，什么時候剪，按照什么順序把外顯子拼接起來，每一個“操作”都可能改變細胞命運。研究發現，人類的遺傳疾病大約有35%都是因為剪接異常造成的。

20世紀90年代，科學家們發現一類非經典的內含子剪接序列，一種全新的剪接體開始進入科學家的視野。

在隨后的研究中，科學家們逐漸確定了這個全新剪接體的核酸組成，其中U11、U12、U4atac、U6atac四種新的snRNA參與該類內含子的識別與剪接。由于這種非經典的內含子占比不足1%，該類內含子被稱作稀有內含子(或U12依賴型內含子)，催化該類內含子剪接的這種全新剪接體被命名為——次要剪接體。

“盡管由次要剪接體進行剪接的稀有內含子含量極低，但是這些基因卻與許多重要的細胞基本生命活動密切相關。”萬蕊雪說，許多人類疾病與次要剪接體和稀有內含子有關，例如生長激素缺乏癥、小腦共濟失調、骨髓增生異常綜合征等。然而，對于U12依賴型內含子以及次要剪接體的研究卻發展緩慢，次要剪接體的蛋白組成、重塑調控等關鍵的科學問題，一直沒有答案。其中非常重要的一步——如何捕獲并純化次要剪接體，是相關研究面臨的一個巨大難題。

首次建立完整的次要剪接體捕獲與純化方法

“在沒有任何次要剪接體的捕獲與純化等相關文獻的情況下，摸索并建立次要剪接體的捕獲與純化方法迫在眉睫。”白蕊說。

施一公研究組的白蕊與萬蕊雪長期從事剪接體的純化與結構研究工作，積累了大量剪接體結構研究的經驗。

在研究經驗基礎之上，結合次要剪接體識別位點的特異性，研究組首次設計出一條全新的U12依賴型pre-mRNA。通過改良前人的體外剪接反應實驗條件，成功地確定了該U12依賴型的pre-mRNA具有極高的特異性與剪接的高效性。

“由于次要剪接體的含量極低，如何進一步獲得性質良好的次要剪接體樣品，成為了本次研究的一大難點。”白蕊說。

白蕊和萬蕊雪在原有的剪接體純化基礎之上，進一步探索與改良，最終首次建立起一套完整的次要剪接體捕獲與純化方法，成功獲得了處于激活態的次要剪接體的蛋白樣品，隨后利用單顆粒冷凍電鏡技術重構出了世界上首個次要剪接體的冷凍電鏡結構，整體分辨率為2.9埃，并搭建了第一個次要剪接體的原子模型，其中包含4條RNA和45個蛋白。

“作為首次揭示人源次要剪接體的結構研究，本次建立的捕獲與純化次要剪接體的方法、鑒定的參與次要剪接體的組成的全新蛋白等，都將對U12依賴型的RNA剪接分子機理的研究產生重要影響。”白蕊說，未來，研究團隊將聚焦次要剪接體研究領域，進一步探究其分子機理、調控通路及功能意義等。(記者 劉園園)