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施一公团队:首次解析次要剪接体
2021-02-01 中国科学报

  1月29日,西湖大学教授施一公研究组在《科学》发文,首次报道了“神秘”的次要剪接体的高分辨率三维结构。

  这也标志着该团队在一个新的研究方向上迈出关键一步。

  生物体的遗传信息经过“转录”从DNA传递给RNA,再经过“翻译”从RNA传递给蛋白质,这就是分子生物学的“中心法则”。

  但在真核生物DNA中,有大量看似“无效”的片段无法被“翻译”为蛋白质。

  

  人源次要剪接体的三维结构示意图

  “就像影片制作中,会剪掉不需要的片段,再把需要的片段连接在一起。成熟mRNA的形成,就经过了内含子序列被剪切、外显子序列被连接的过程。这个过程被称为‘RNA剪接’,过程的实行者就是剪接体。”

  论文共同第一编辑之一、西湖大学生命科学学院博士后白蕊向《中国科学报》说明,“同样,正如影片的剪辑方式和顺序会影响最终呈现效果,通过排列组合,有限的基因组也能编码更多蛋白质。这也就是为什么人有2万多个基因,但是蛋白有几十万个。”

  过去十多年来,施一公研究组一直致力于剪接体的三维结构解析与分子机理研究。

  自2015年报道了第一个剪接体的高分辨率三维结构后,他们已完成解析的剪接体覆盖了整个RNA剪接循环,在国际学界率先将剪接体介导的RNA剪接过程完整地串联了起来。

  除此之外,还有一类非常稀少和神秘的“次要剪接体”。

  这类剪接体所识别并剪接的是一种非经典的内含子序列,该类内含子在人体内的含量不足1%,被称为“稀有内含子”,但它们却与许多重要的细胞生命活动密切相关。

  次要剪接体与主要剪接体识别的剪接位点不同,在RNA和蛋白质组成上也存在较大差异。

  “怎么把这1%的少数派捕获并提取出来,跟主要剪接体区分开来?这是领域内一直以来未突破的难题。”白蕊说,“因此次要剪接体被发现几十年来,相关研究非常匮乏。”

  在没有任何次要剪接体的捕获与纯化等相关文献的情况下,白蕊和另一位共同第一编辑、与施一公同为共同通讯编辑的西湖大学生命科学学院万蕊雪一起,设计了一个高效的底物pre-mRNA,特异性地“钓”出了次要剪接体,同时改进纯化方式,使获得的次要剪接体更加稳定。

  在此基础上他们利用单颗粒冷冻电镜技术重构了世界上首个次要剪接体的冷冻电镜结构,整体分辨率高达2.9埃,并搭建了第一个次要剪接体的原子模型,其中包含了4条RNA和45个蛋白。

  该结构第一次展示了人源次要剪接体的组成及其对稀有内含子的识别机理,首次揭示了次要剪接体的催化中心以及活性位点,并且通过结构解析鉴定了次要剪接体的全新蛋白组分,揭示了它们对次要剪接体及稀有内含子剪接的重要作用。

  这一研究成果使施一公研究组继2015年首次解析世界上第一个剪接体结构、2017年解析第一个人源剪接体结构之后,成为世界上首个解析了次要剪接体高分辨率三维结构的团队。

  “大家对次要剪接体的研究,才刚刚开始。”白蕊说。

  据她先容,未来这个研究团队将聚焦次要剪接体研究领域,进一步探究其分子机理、调控通路及功能意义等。

  “这是RNA剪接领域一项里程碑式的工作。”

  清华大学生命科学学院研究员闫创业对《中国科学报》说,“之前人们对次要剪接体的研究主要集中在生化方面,包括它识别的U12内含子、参与组成的蛋白质、可能的剪接途径等,但是其结构研究一直进展缓慢。

  事实上,次要剪接体的结构研究本身是非常重要的科知识题,只是次要剪接体的样品制备十分困难,决定了国际上只有少数几个研究组能够参与这类研究。”

  他指出,尽管次要剪接体占比很少,但许多人类疾病与次要剪接体和U12内含子有关,例如生长激素缺乏症、小脑共济失调、骨髓增生异常综合征等。

  结构研究能大大加深科研人员对次要剪接体的认知,可能会进一步促进次要剪接体的生化与疾病相关研究。

  “这次突破究竟能引起什么样的‘蝴蝶效应’,我很期待。”闫创业说。

  相关论文信息:

  https://science.sciencemag.org/cgi/doi/10.1126/science.abg0879

  《中国科学报》 (2021-01-29 第1版 要闻 原标题为《“钓”出1%的少数派》)

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