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清華大學生命學院、結構生物學高精尖創(chuàng)新中心施一公研究組于《細胞》（Cell）在線發(fā)表了題為《人源剪接體的原子分辨率結構》（An Atomic Structure of the Human Spliceosome）。這是*個高分辨率的人源剪接體結構，也是在近原子分辨率的尺度上觀察到酵母以外的、來自高等生物的剪接體的結構，進一步揭示了剪接體的組裝和工作機理，為理解高等生物的 RNA 剪接過程提供了重要基礎。

在真核生物細胞內(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。在基因表達過程中，內(nèi)含子需要經(jīng)過“剪”和“接”這兩步化學反應被去除，從而使得編碼區(qū)可以連接成不同的信使 RNA（mRNA）。同一個基因，因為內(nèi)含子的邊界和數(shù)量不同，經(jīng)過剪接，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*的過程，是真核生物“中心法則”的關鍵步驟之一，也被認為是真核生物復雜性的重要分子基礎。RNA 剪接過程必須高度，任何錯誤都有可能導致基因表達異常乃至疾病的發(fā)生。據(jù)統(tǒng)計，1/ 3 以上的遺傳性疾病與 RNA 剪接異常有關。

RNA 剪接這一復雜的生理過程由剪接體（spliceosome）來執(zhí)行。剪接體是細胞中已知的zui為復雜的大分子機器，分子量巨大并且高度動態(tài)，主要由蛋白質 - 核酸形成的復合物（ribonucleoprotein，RNP）組裝形成，它在前體信使 RNA（pre-mRNA）上完成識別、組裝、激活、催化等一系列過程，并zui終在反應結束后解離成許多小的功能單元，以進入下一個反應循環(huán)。根據(jù)剪接體的組成與構象的不同，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. 剪接反應過程示意圖 （圖片修改自 Janine，2012）

解析剪接體的高分辨率結構對于理解剪接反應的機理至關重要。2015 年 8 月，施一公課題組在世界上解析了酵母剪接體的高分辨率結構，在 2016 年又陸續(xù)報道了酵母剪接體在不同工作狀態(tài)下的高分辨結構，提供了迄今為止zui為全面和清晰的剪接體結構信息，揭示了 RNA 剪接的分子基礎，極大地推動了這一領域的發(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、組裝和調控更為復雜，其結構研究也因為組成的復雜性和構象的不穩(wěn)定性而進展緩慢。由于超過 1 / 3 的人類遺傳病與剪接過程中的錯誤直接相關，解析人源剪接體的結構不僅能幫助理解剪接反應的化學本質，更能促進對一些疾病發(fā)病機制的理解，并為研發(fā)針對剪接體的相關藥物提供可能。因此人源剪接體的結構解析是極其重要并亟需解決的難題。

在發(fā)表的《細胞》研究長文中，施一公研究組利用修飾過的 pre-mRNA，在體外進行人源剪接體的組裝，把剪接反應鎖定在了*步反應之后與第二步反應之前的狀態(tài)，即 C * 狀態(tài)。由于人源剪接體非常不穩(wěn)定，研究人員使用化學交聯(lián)劑在溫和的條件下對剪接體進行固定，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出了 3.8 埃的近原子分辨率結構（圖 2 和圖 3）。

圖 2. 人源剪接體的結構示意圖

圖 3. 人源剪接體與酵母剪接體的比較

在該結構中，剪接體核心區(qū)分辨率高達 3.0-3.5 埃，清晰地展示了由 20 余個蛋白與 RNA 組成的催化反應中心的結構（圖 4 ）。同時，他們觀察到與第二步反應密切相關的剪接因子所呈現(xiàn)出的特定構象，對于穩(wěn)定反應活性中心以及催化第二步轉酯反應至關重要。該結構的解析為揭示第二步反應過程中剪接體的構象變化以及 3 剪接位點的識別提供了重要的結構依據(jù)。

圖 4 人源剪接體的催化中心與調控機制

施一公教授為本文通訊作者； PTN 項目 15 級博士生張曉峰、結構生物學高精尖創(chuàng)新中心學者閆創(chuàng)業(yè)、醫(yī)學院博士生杭婧為本文共同*作者，閆創(chuàng)業(yè)博士同時為本文共同通訊作者；生命學院博士后 Lorenzo I. Finci 參與了這項研究；清華大學冷凍電鏡平臺主管雷建林研究員協(xié)助數(shù)據(jù)收集，平臺工作人員李曉梅、李曉敏在數(shù)據(jù)收集過程中提供了幫助；本課題得到了清華大學冷凍電鏡平臺，高性能計算平臺、國家蛋白質設施實驗技術中心（北京）的大力支持；本工作主要獲得北京市結構生物學高精尖創(chuàng)新中心的經(jīng)費支持，并獲得了國家自然科學基金委以及科技部的資助