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施一公教授课题组《科学》杂志连发两篇重要突破

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摘要:剪接体是一类大型复合物,能将RNA中的内含子模板移除,并将外显子序列连接起来。2015年,中国科学院院士施一公教授领导的团队在《科学》杂志上“背靠背”刊登两篇重磅论文,首次获取了真核细胞剪接体复合物的高分辨率三维结构,并详细阐述了剪接体对前体mRNA进行剪接的基本作用机理。施一公教授曾表示“这项成果的重要性超过我过去25年科学研究总和”。而在昨日出版的《科学》杂志上,施一公教授的课题组再次发表两篇关于剪接体的重量级论文,进一步阐明了这一关键复合体的详细作用机制。我们对这一成就表示祝贺!

众所周知,mRNA剪接是蛋白质翻译过程中必需步骤。从染色体DNA上转录出来的前体mRNA(pre-mRNA)并不直接参与蛋白质翻译,而是需要先将其中的内含子片段切除,才能进入蛋白质的翻译场所——核糖体。

这当中的内含子剪接过程需分轮进行,每一轮会通过两步反应切除一段内含子区域。其中,第一步由位于待切除内含子3 端区域、具有高度保守性的分支点序列(BPS)中的特定腺嘌呤(A)核苷酸介导,该核苷酸的2 -羟基对位于内含子5 端第一个核苷酸的剪接位点(5 SS)发起双分子亲核取代反应(SN2),形成套索(lariat)中间体结构。之后,由此释放的原来位于内含子5 端外显子片段的3 -羟基又会向内含子3 端最后一个核苷酸的剪接位点发动亲核攻击,通过SN2反应与原来位于内含子3 端外显子片段连接起来,同时释放掉内含子套索结构。

施一公教授课题组《科学》杂志连发两篇重要突破

mRNA剪接过程示意图(图片来源:《Cell》)

上述两步SN2反应则需由剪接体(spliceosome)催化完成。剪接体是由多种RNA和蛋白质组成的复合物,具有高度动态的结构,在这一系列反应过程中会以至少六种不同形态存在,即B、Bact、B*、C、P和ILS。

其中,前催化性的B剪接体含有U1、U2、U4、U5、U6五种核微小核糖核蛋白颗粒(snRNPs)。在接纳了十九号复合物(NTC)和十九号复合物相关蛋白(NTR),并释放掉U1和U4之后,B剪接体会被活化,变成Bact剪接体。之后,Bact剪接体可转变为真正具有催化活性的B*剪接体,去介导由BPS中的A位点发起的第一步SN2反应。C剪接体则会催化下一步将两段外显子片段连接在一起的第二步SN2反应,并由此形成P剪接体。最后,P剪接体中的内含子套索结构被释放掉,成为了ILS剪接体。

施一公教授课题组《科学》杂志连发两篇重要突破

剪接中的mRNA和剪接体(图片来源:冷泉港实验室官网)

前体mRNA剪接这一最为基本生命过程的重要性不言而喻。然而,我们对它的了解却受限于剪接体高度复杂和动态的结构。组成剪接体个别蛋白的结构可以通过X射线晶体衍射手段去解析,而当要研究剪接体的整体结构时则需用到单颗粒冷冻电子显微技术。最近,清华大学施一公教授的课题组在这一领域再度取得重大突破。他们首次以3.5埃和3.4埃的高分辨率分别解析了酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)Bact和C剪接体的整体结构。上述研究成果以两篇论文的形式于昨日发表在《科学》杂志上。

施一公教授课题组《科学》杂志连发两篇重要突破

Bact剪接体结构(图片来源:《Science》)

其中,Bact剪接体共包含38种蛋白,总分子量达1.6兆道尔顿。位于内含子5 端的外显子片段被锚定在U5 snRNP的Loop I环,而内含子中的5 SS和BPS分别由U6和U2 snRNA识别。Prp8蛋白是整个剪接体的中心催化组分,是唯一同时与U2、U5、U6 snRNA和底物前体mRNA的蛋白,并结合有至少两个Mg2+离子。不过,Bact剪接体并不真正具有催化活性,因为其活性暂时被其中的SF3b复合体(通过将BPS序列包围),以及Cwc24和Prp11蛋白(二者将5 SS与5 端外显子间的结合区域掩藏起来)所限制。只有当上述限制被移除之后,Bact剪接体转变为真正具有催化活性的B*剪接体,并在催化完第一次反应后,形成C剪接体。

施一公教授课题组《科学》杂志连发两篇重要突破

C剪接体结构(图片来源:《Science》)

在C剪接体中,在第一次反应中被释放了的5 端外显子片段仍然停靠在U5 snRNP的Loop I环上,而内含子中的5 SS和BPS依旧分别结合于U6和U2 snRNA。第一步反应后的活性中心结构(包括Prp8蛋白和RNA组分)由包括Snu114、Cwc21、Cwc22等在内的15种蛋白暂时稳定。C剪接体结构的成功解析为推测出进行第二步反应所需的结构特征提供了线索。

上述重要发现为理解mRNA的成熟过程提供了宝贵的信息,以帮助人们在分子水平上构建出一幅mRNA剪接过程的微观而宏大的图景。

参考资料:

[1] Structure of a yeast activated spliceosome at 3.5 resolution

[2] Structure of a yeast catalytic step I spliceosome at 3.4 resolution

[3] RNA splicing: Wikepedia

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