完全组装的酿酒酵母剪接体激活前结构
发布时间：
2019-03-08
RNA剪接是真核生物基因表达调控的重要环节之一。上世纪70年代，科学家们首次发现真核生物基因的不连续性，从而表明遗传信息从DNA转移到RNA上之后，需要经历有效遗传信息的“剪断”与重新“拼接”，这种有效遗传信息的拼接与“无效”遗传信息的去除，被称为RNA剪接。RNA剪接普遍存在于真核生物中，随着物种的进化，含有内含子的基因数量增加，发生RNA剪接的频率也相应增高，使得一个基因编码多个蛋白质成为可能。
RNA剪接是真核生物基因表达调控的重要环节之一。上世纪70年代，科学家们首次发现真核生物基因的不连续性，从而表明遗传信息从DNA转移到RNA上之后，需要经历有效遗传信息的“剪断”与重新“拼接”，这种有效遗传信息的拼接与“无效”遗传信息的去除，被称为RNA剪接。RNA剪接普遍存在于真核生物中，随着物种的进化，含有内含子的基因数量增加，发生RNA剪接的频率也相应增高，使得一个基因编码多个蛋白质成为可能。
2018年5月25日，清华大学生命学院施一公教授研究组就剪接体的组装机理与结构研究于《Science》杂志以长文形式再次发表重大研究成果。本文报道了酿酒酵母剪接体处于被激活前阶段的两个完全组装的关键构象——预催化剪接体前体（定义为“pre-B复合物”），和预催化剪接体（定义为“B复合物”）。这两个整体分辨率分别为3.3-4.6埃和3.9埃的高分辨率三维结构展示了在剪接体组装过程中pre-mRNA的5’剪接位点和分支点（BPS）的识别状态与动态变化，回答了剪接体激活前pre-mRNA的5’剪接位点和分支点识别机理，以及激活过程中5’剪接位点和分支点如何逐步进入活性位点、剪接体如何逐步组装并通过结构重组最终完成激活等重要问题。
预催化剪接体前体（pre-B complex）由U1 snRNP、U2 snRNP以及U4/U6.U5 tri-snRNP组成，目前被认为是组成蛋白最多、分子量最大的剪接体，该状态结构复杂，但各组分之间的相互作用并不紧密，使得该复合物在提纯过程中十分容易解聚。在最新发表的这篇《科学》文章中，施一公研究组对提纯方案多次探索，最终优化出一套可以获得稳定的、性质良好的pre-B complex样品。随后利用单颗粒冷冻电镜技术重构出了U1 snRNP、U2 snRNP以及U4/U6.U5 tri-snRNP部分分辨率高达3.3埃、3.6-4.6埃以及3.4埃的冷冻电镜结构，并搭建了原子模型（图1）。
图1 酿酒酵母预催化剪接体前体和预催化剪接体的三维结构
该文解析的pre-B complex结构是目前世界上已解析的同时包含五种核糖核蛋白（snRNP）剪接体结构，它由68个蛋白和6条RNA组成。在该结构中，首次观察到了剪接体组装早期U1 snRNP对5’剪接位点的识别，以及五种核糖核蛋白之间的相互作用界面。与此同时，该文还报道了处于pre-B complex之后的另一个完全组装的剪接体，即预催化剪接体B complex的高分辨率三维结构。结合B complex的结构信息，通过结构对比，可以清楚的看到在组装过程中，pre-mRNA的5’剪接位点由一开始被U1 snRNP识别，而后由于构象变化被转移并与U6 snRNA配对，这一步的变化为剪接体激活提供了结构基础。除此之外，分支点的动态变化、剪接体的各组分所经历的结构重组与构象改变也都清晰的呈现出来。在文章最后，根据pre-B的结构特征，作者还大胆推测了最早期的不完全组装的预剪接体（pre-spliceosome，定义为“A 复合物”）的三维结构模型（如图2）。这两个关键状态剪接体结构的解析，为揭示剪接体组装初期如何识别5’剪接位点和分支点、如何进行结构重组以及如何完成剪接体的激活等问题的机理提供了最直接、有效的结构证据，也将为更高等真核生物可变剪接的研究提供结构基础与理论依据。
图2 酿酒酵母预剪接体三维结构的预测与剪接体组装并激活的模型
截至目前为止，施一公研究组在酵母中一共解析了9个不同状态的剪接体高分辨的三维结构（如图3），从组装到被激活，从发生两步转酯反应到剪接体的解聚，这9个状态的剪接体完整覆盖了剪接通路，首次将剪接体介导RNA剪接的过程串联起来，为理解RNA剪接的分子机理提供了清晰、全面的结构信息。
（转载 科学网）
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