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施一公研究组在《细胞》发表论文报道酿酒酵母 内含子套索剪接体的三维结构

2017年9月15日,清华大学生命学院施一公教授研究组于《细胞》 (Cell)杂志就剪接体的结构与机理研究再发最新成果,题目为《酿酒酵母内含子套索剪接体的结构》(Structure of an Intron Lariat Spliceosome from Saccharomyces cerevisiae),该文报道了RNA剪接循环中剪接体最后一个状态的高分辨率三维结构,为阐明剪接体完成催化功能后受控解聚的分子机制提供了结构基础,从而将对RNA剪接(RNA Splicing)分子机理的理解又推进了一步。

真核生物的基因表达相比于原核生物,更为复杂也更为精细。由于真核细胞 内的基因是不连续的,它需要在细胞核内被转录成前体信使 RNA,通过RNA 剪接,不具有翻译功能的内含子被去除,密码子所在的外显子被连接,从而得到成熟的、可被翻译成蛋白质的信使 RNA。 RNA 剪接是真核生物基因表达调控的重要环节之一,而负责执行这一过程的是细胞核内一个巨大的且高度动态变化的分子机器——剪接体(spliceosome)。剪接体在真核生物进化中极为保守,对于真核生物维持正常的生命活动至关重要。一个基因转录出的前体信使RNA 可以通过RNA剪接成若干种信使RNA,于是极大地丰富了真核生物蛋白质组的多样性。在剪接反应过程中,多种蛋白质-核酸复合物及剪接因子按照高度精确的顺序发生结合和解聚,依次形成预组装复合物U4/U6.U5 Tri-snRNP以及至少7个状态的剪接体B、Bact、B*、C、C*、P以及ILS复合物(图1)。

图1 RNA剪接示意图

(图片来源: Shi Y. Journal of Molecular Biology, 2017)

 

施一公研究组此次报道的正是酿酒酵母RNA剪接循环中最后一个状态的内含子套索剪接体(Intron Lariat Spliceosome, ILS)总体分辨率分别达到3.5埃的冷冻电镜结构(图2)。在这个结构中,第一次观察到了参与剪接体解聚的4个关键蛋以及在剪接体解聚过程中具有重要作用的一个剪接因子。该结构的解析,补充了mRNA剪接后期剪接体解聚的关键信息,描述了剪接体完成转酯反应后、即将解聚前的催化反应活性中心的变化,并从结构生物学的角度提出了两种可能的剪接体解聚的分子模型(图3)。该结构的解析为领域内对剪接体解聚机理长达多年的猜测提供了重要依据。

图2 酿酒酵母内含子套索剪接体的三维结构

图3剪接体解聚模型

清华大学施一公教授研究组一直致力于捕捉RNA剪接过程中处于不同动态变化的剪接体结构,从而从分子层面阐释RNA剪接的工作机理。2015年,施一公研究组率先突破,在世界上首次报道了裂殖酵母剪接体3.6埃的高分辨率结构,首次展示了剪接体催化中心近原子分辨率的结构。自2015年第一个剪接体结构发表以后,施一公研究组相继解析了5个不同状态剪接体复合物的高分辨率结构,分别是酿酒酵母3.8埃的预组装复合物U4/U6.U5 Tri-snRNP、3.5埃的激活状态复合物Bact complex、3.4埃的第一步催化反应后复合物C complex、4.0埃的第二步催化激活状态下的C* complex,以及本文3.5埃的内含子套索剪接体ILS complex的结构。这个5个不同状态的剪接体基本覆盖了整个剪接通路中从预组装到激活、从发生两步转酯反应到剪接体的解聚的关键催化步骤,呈现了迄今为止最为清晰的剪接体不同工作状态下的结构信息,将RNA剪接领域的发展推向了新的高度。施一公教授因此于不久前刚刚获得未来科学大奖生命医学奖。

清华大学生命学院施一公教授为本文的通讯作者;清华大学医学院五年级博士研究生万蕊雪、生命学院博士后闫创业以及生命学院三年级博士研究生白蕊为该文的共同第一作者;清华大学冷冻电镜平台的雷建林博士为冷冻电镜数据收集提供了帮助;中科院上海生命科学研究院生物化学与细胞生物学研究所黄超兰研究员与黄敏参与样品质谱鉴定的合作。电镜数据采集于清华大学冷冻电镜平台,计算工作得到清华大学高性能计算平台、国家蛋白质设施实验技术中心(北京)的支持。本工作获得了北京结构生物学高精尖创新中心及国家自然科学基金委的经费支持。

 

原文链接:

http://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(17)30954-6

相关论文链接:

http://science.sciencemag.org/content/early/2016/01/06/science.aad6466

http://science.sciencemag.org/content/early/2015/08/19/science.aac8159

http://science.sciencemag.org/content/early/2015/08/19/science.aac7629

http://science.sciencemag.org/content/early/2016/07/20/science.aag0291

http://science.sciencemag.org/content/early/2016/07/20/science.aag2235

http://science.sciencemag.org/content/early/2016/12/14/science.aak9979.full

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