施一公教授是剪切體結(jié)構(gòu)和功能研究的權(quán)威，自2015年8月以來(lái)在Science雜志先后發(fā)表了6篇研究文章，解析了酵母中剪切體催化過(guò)程中5個(gè)關(guān)鍵狀態(tài)的高分辨率結(jié)構(gòu)。5月11日，施一公教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)又在Cell雜志上發(fā)表了題為“An Atomic Structure of the Human Spliceosome”的論文，這是該研究組在這一領(lǐng)域發(fā)表的第7篇高水平論文，也是首個(gè)人源剪切體關(guān)鍵狀態(tài)的原子分辨率結(jié)構(gòu)，第一次在原子水平解釋了剪切體催化第二步轉(zhuǎn)酯反應(yīng)的功能機(jī)理。該論文的第一作者分別為張曉峰、閆創(chuàng)業(yè)和杭婧，施一公教授和閆創(chuàng)業(yè)博士為共同通訊作者。特別值得一提的是，這篇Cell論文從投稿到接收只用了11天。鑒于該成果的重要意義，BioArt特別邀請(qǐng)了著名的結(jié)構(gòu)生物學(xué)家、清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院楊茂君教授撰寫了該篇特別評(píng)論文章，以饗讀者。

　　5月11日，清華大學(xué)施一公教授研究組在《細(xì)胞》雜志發(fā)表研究文章，首次報(bào)道了人源剪切體C* complex的原子分辨率結(jié)構(gòu)。施一公教授是剪切體結(jié)構(gòu)和功能研究的權(quán)威，自2015年8月以來(lái)在《科學(xué)》雜志先后發(fā)表了6篇研究文章，解析了酵母中剪切體催化過(guò)程中5個(gè)關(guān)鍵狀態(tài)的高分辨率結(jié)構(gòu)。這是施一公教授研究組在這一領(lǐng)域發(fā)表的第7篇高水平論文，也是首個(gè)人源剪切體關(guān)鍵狀態(tài)的原子分辨率結(jié)構(gòu)，第一次在原子水平解釋了剪切體催化第二步轉(zhuǎn)酯反應(yīng)的功能機(jī)理。

　　剪切體催化的前體mRNA剪切過(guò)程是生物體內(nèi)最基礎(chǔ)最關(guān)鍵的生命活動(dòng)之一，是遺傳信息從DNA傳遞給蛋白質(zhì)的中心法則中關(guān)鍵的一環(huán)。在所有真核細(xì)胞中，基因表達(dá)分為三步進(jìn)行，分別由RNA聚合酶 (RNA polymerase)、剪接體(Spliceosome)和核糖體 (Ribosome)執(zhí)行。第一步簡(jiǎn)稱轉(zhuǎn)錄(transcription)，即儲(chǔ)存在遺傳物質(zhì)DNA序列中的遺傳信息通過(guò)RNA聚合酶的作用轉(zhuǎn)變成前體信使RNA(pre-mRNA);第二步簡(jiǎn)稱剪接(splicing)，即由多個(gè)內(nèi)含子和外顯子間隔形成的前體信使RNA通過(guò)剪接體的作用去除內(nèi)含子、連接外顯子，轉(zhuǎn)變?yōu)槌墒斓男攀筊NA;第三步簡(jiǎn)稱翻譯(translation)，即成熟的信使RNA通過(guò)核糖體的作用轉(zhuǎn)變成蛋白質(zhì)，從而行使生命活動(dòng)的各種功能。描述這一過(guò)程的規(guī)律被稱為分子生物學(xué)的中心法則，多個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)圍繞此發(fā)現(xiàn)和闡述產(chǎn)生。其中，RNA聚合酶的結(jié)構(gòu)解析獲得2006年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，而核糖體的結(jié)構(gòu)解析獲得2009年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

　　由于真核生物中的基因編碼區(qū)中存在不翻譯成蛋白質(zhì)的序列(稱為內(nèi)含子)，染色體DNA轉(zhuǎn)錄出來(lái)的前體mRNA(pre-mRNA)并不直接參與蛋白質(zhì)翻譯，而是需要先將其中的內(nèi)含子片段去除，才能進(jìn)入核糖體進(jìn)行蛋白質(zhì)合成。內(nèi)含子的去除需要通過(guò)兩步轉(zhuǎn)酯反應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)：首先，位于內(nèi)含子序列中下游被稱為分支點(diǎn)(branch point sequence)的序列中有一個(gè)高度保守的腺嘌呤核苷酸(A)，其2’羥基親核攻擊內(nèi)含子5’末端的鳥嘌呤(G)，于是第一步反應(yīng)發(fā)生，形成套索結(jié)構(gòu);然后，5’外顯子末端暴露出的3’-OH向內(nèi)含子3’末端的鳥嘌呤發(fā)起攻擊，第二步反應(yīng)發(fā)生，兩個(gè)外顯子連在一起。通過(guò)這兩步反應(yīng)，前體信使RNA中數(shù)量、長(zhǎng)度不等的內(nèi)含子被剔除，剩下的外顯子按照特異順序連接起來(lái)從而形成成熟的信使RNA(mRNA)(下圖)。

　　這兩步化學(xué)反應(yīng)在細(xì)胞內(nèi)是由龐大、復(fù)雜而動(dòng)態(tài)的分子機(jī)器——剪接體催化完成的。對(duì)于每一個(gè)內(nèi)含子來(lái)說(shuō)，為了調(diào)控反應(yīng)的各個(gè)基團(tuán)在適當(dāng)時(shí)機(jī)呈現(xiàn)合適的構(gòu)象從而發(fā)揮其活性，剪接體各組分按照高度精確的順序結(jié)合和解離，組裝成一系列具有不同構(gòu)象的分子機(jī)器，統(tǒng)稱為剪接體。根據(jù)它們?cè)赗NA剪接過(guò)程中的生化性質(zhì)，這些剪接體又被區(qū)分為E、A、B、Bact、B*、C、C*、P、ILS等若干狀態(tài)。剪接體由五個(gè)小核核糖核蛋白(snRNP)、十九號(hào)復(fù)合物(Nineteen Complex，簡(jiǎn)稱NTC)、十九號(hào)復(fù)合物相關(guān)蛋白(NTC Related)和一系列的輔助蛋白所構(gòu)成,共涉及到100多個(gè)蛋白質(zhì)和至少五條RNA分子。在剪接的過(guò)程中，剪接體以前體信使RNA分子為中心，按照高度精確的順序進(jìn)行逐步組裝并發(fā)生大規(guī)模結(jié)構(gòu)重組，使之得以完成復(fù)雜的剪接任務(wù)。剪接是真核細(xì)胞進(jìn)行正常生命活動(dòng)不可或缺的核心環(huán)節(jié)，因此具有重大的生物學(xué)意義，獲取剪接體在組裝、激活、催化反應(yīng)過(guò)程中各個(gè)狀態(tài)的結(jié)構(gòu)是最基礎(chǔ)也是最富挑戰(zhàn)性的結(jié)構(gòu)生物學(xué)難題之一。

　　此前，施一公教授研究組共報(bào)道了酵母來(lái)源的剪接反應(yīng)中5個(gè)關(guān)鍵狀態(tài)的剪接體復(fù)合物的高分辨率結(jié)構(gòu)，分別是3.8埃的預(yù)組裝復(fù)合物tri-snRNP、3.5埃的激活狀態(tài)復(fù)合物Bact complex、3.4埃的第一步催化反應(yīng)后復(fù)合物C complex、4.0埃的第二步催化激活狀態(tài)下的C* complex以及3.6埃的內(nèi)含子套索剪接體ILS complex。這5個(gè)酵母來(lái)源的高分辨率結(jié)構(gòu)所代表的剪接體狀態(tài)，基本覆蓋了整個(gè)剪接通路中關(guān)鍵的催化步驟，提供了迄今為止最為清晰的剪接體不同工作狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)信息，大大推動(dòng)了RNA剪接研究領(lǐng)域的發(fā)展。而最新的這一篇《細(xì)胞》論文所報(bào)道的3.76埃第二步催化激活狀態(tài)下的人源C* complex使我們第一次在原子分辨率上看到了人源剪切體的工作狀態(tài)，并首次詳細(xì)闡釋了人源剪切體催化第二步轉(zhuǎn)酯反應(yīng)的功能機(jī)理。

　　人源C* complex與酵母來(lái)源C* complex在結(jié)構(gòu)上有許多不同。與釀酒酵母來(lái)源的復(fù)合物結(jié)構(gòu)相比，在這一原子分辨率人源復(fù)合物結(jié)構(gòu)中額外鑒定出9個(gè)蛋白亞基(Aquarius、Brr2、PPIL1、PRKRIP1、U5-40K、以及EJC的4個(gè)蛋白亞基)。另外，第二步反應(yīng)的關(guān)鍵因子Slu7和Prp17在人源復(fù)合物中更加清晰。相反的，酵母復(fù)合物中第二步反應(yīng)的關(guān)鍵因子Prp18在人源復(fù)合物中缺失，反映了人和酵母在催化第二步反應(yīng)過(guò)程中功能機(jī)理的細(xì)微差別。另一個(gè)重要的差別是酵母復(fù)合物中的Ecm2和Cwc2亞基被人源復(fù)合物中的RBM22亞基所取代，使得其周圍的蛋白亞基重新排布(下圖)。

　　此次發(fā)表的關(guān)于人源剪切體復(fù)合物原子分辨率結(jié)構(gòu)的研究承接之前酵母來(lái)源剪切體復(fù)合物的研究工作，在攻克剪切過(guò)程詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理的道路上再進(jìn)一步。施一公教授這一系列的研究工作具有極為重要的意義，是對(duì)中心法則的研究中最為復(fù)雜、最為關(guān)鍵的一環(huán)。自1993年RNA剪接的發(fā)現(xiàn)被授予諾貝爾生理及醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)以來(lái)，科學(xué)家們一直在步履維艱地探索其中的分子奧秘，期待早日揭示這個(gè)復(fù)雜過(guò)程的分子機(jī)理。剪切體一系列關(guān)鍵狀態(tài)復(fù)合物高分辨率結(jié)構(gòu)的解析，一步一步揭開了RNA剪接這一復(fù)雜生化過(guò)程神秘的面紗，可以說(shuō)，這一系列研究工作是當(dāng)今結(jié)構(gòu)生物學(xué)領(lǐng)域里一項(xiàng)里程碑式的、有望獲得諾貝爾獎(jiǎng)的重量級(jí)工作。

圖為Cell論文的通訊作者施一公教授和卓越中心創(chuàng)新學(xué)者閆創(chuàng)業(yè)博士

撰文丨楊茂君 (清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院、結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心教授，“長(zhǎng)江學(xué)者”特聘教授，國(guó)家“杰青”)

　　后記：到目前為止，閆創(chuàng)業(yè)博士已發(fā)表的53篇SCI論文中，其中在Nature、Science和Cell雜志上以第一作者(包含共同一作)或共同通訊作者身份已發(fā)表10篇研究型論文。自閆創(chuàng)業(yè)博士2005年進(jìn)入清華化學(xué)系以來(lái)到如今成為清華結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心卓越學(xué)者總共已經(jīng)快12年了。從施一公教授課題組的相繼發(fā)表的這7篇有關(guān)剪接體結(jié)構(gòu)的論文署名來(lái)看，閆創(chuàng)業(yè)博士是這7篇論文的第一作者(三篇)或共同第一作者(4篇)，特別值得一提的是在這篇Cell文章中首次成為共同通訊作者?？梢哉f(shuō)，整個(gè)剪接體系列工作中，閆創(chuàng)業(yè)博士起到了中流砥柱般的作用，稱得上當(dāng)今結(jié)構(gòu)生物學(xué)領(lǐng)域“夜空中最亮的星”。