清華大學(xué)施一公教授研究組一直致力于捕捉RNA剪接過程中處于不同動態(tài)變化的剪接體結(jié)構(gòu),從而從分子層面闡釋RNA剪接的工作機理。
在11月16日公布的Cell雜志上,這一研究組再次發(fā)表研究論文,公布了一個來自釀酒酵母的P復(fù)合物(分辨率為3.6?)的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)。兩個月前,施一公教授研究組也在Cell雜志上發(fā)文,報道了RNA剪接循環(huán)中剪接體最后一個狀態(tài)的高分辨率三維結(jié)構(gòu),這也是這一研究組今年在Cell雜志上發(fā)表的第三篇文章,他們在一步步完成剪接體的拼圖。
2015年,施一公研究組率先突破,在世界上首次報道了裂殖酵母剪接體3.6埃的高分辨率結(jié)構(gòu),首次展示了剪接體催化中心近原子分辨率的結(jié)構(gòu)。自2015年第一個剪接體結(jié)構(gòu)發(fā)表以后,施一公研究組相繼解析了5個不同狀態(tài)剪接體復(fù)合物的高分辨率結(jié)構(gòu),分別是釀酒酵母3.8?的預(yù)組裝復(fù)合物U4/U6.U5 Tri-snRNP、3.5?的激活狀態(tài)復(fù)合物Bact complex、3.4?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,以及前文3.5?的內(nèi)含子套索剪接體ILS complex的結(jié)構(gòu)。
這個5個不同狀態(tài)的剪接體基本覆蓋了整個剪接通路中從預(yù)組裝到激活、從發(fā)生兩步轉(zhuǎn)酯反應(yīng)到剪接體的解聚的關(guān)鍵催化步驟,呈現(xiàn)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,將RNA剪接領(lǐng)域的發(fā)展推向了新的高度。施一公教授因此于不久前也獲得未來科學(xué)大獎生命醫(yī)學(xué)獎。
相比于原核生物,真核生物的基因表達更為復(fù)雜也更為精細。由于真核細胞內(nèi)的基因是不連續(xù)的,需要在細胞核內(nèi)被轉(zhuǎn)錄成前體信使RNA (pre-mRNA)后,通過RNA剪接,不具有翻譯功能的內(nèi)含子(intron)被去除,密碼子所在的外顯子(exon)被連接,從而得到成熟的、可被翻譯成蛋白質(zhì)的mRNA。RNA剪接是真核生物基因表達調(diào)控的重要環(huán)節(jié)之一,是“中心法則”的關(guān)鍵步驟之一。而負責(zé)執(zhí)行這一過程的是細胞核內(nèi)一個巨大的且高度動態(tài)變化的分子機器——剪接體(spliceosome)。
剪接體在真核生物進化中極為保守,對于真核生物維持正常的生命活動至關(guān)重要。一個基因轉(zhuǎn)錄出的pre-mRNA可以通過RNA剪接形成若干種mRNA,于是極大地豐富了真核生物蛋白質(zhì)組的多樣性。在剪接反應(yīng)過程中,多種蛋白質(zhì)-核酸復(fù)合物及剪接因子按照高度精確的順序發(fā)生結(jié)合和解聚,依次形成預(yù)組裝復(fù)合物U4/U6.U5 tri-snRNP以及至少7個狀態(tài)的組裝剪接體B、Bact、B*、C、C*、P以及ILS復(fù)合物。
通過之前的努力,已經(jīng)解析了釀酒酵母或人源的預(yù)組裝復(fù)合物U4/U6.U5 tri-snRNP、催化前復(fù)合物B complex、激活狀態(tài)復(fù)合物Bact complex、第一步催化反應(yīng)復(fù)合物C complex、第二步催化激活狀態(tài)下的C* complex和內(nèi)含子套索剪接體ILS complex。除了B complex,其它四個狀態(tài)下的主要的結(jié)構(gòu)特色都與裂殖酵母ILS complex的一致。這樣,就只剩下催化激活的復(fù)合物B* complex和催化后復(fù)合物P complex在結(jié)構(gòu)上未被表征。
在之前研究的基礎(chǔ)上,研究人員對36個剪接體蛋白,3個snRNA(U2、U5和U6),1個連接的外顯子和1個內(nèi)含子套索進行了原子建模。最終的結(jié)構(gòu)模型包括了9328個氨基酸酸殘基和381個RNA核苷酸,聯(lián)合起來的分子質(zhì)量達到了~1.2 MD。如之前預(yù)測的一樣,P complex的總的組織形式和詳細的結(jié)構(gòu)特色與C* complex的非常類似。
在P complex中,步驟II剪接因子Prp17, Prp18和Slu7仍結(jié)合在活性位點附近。剪接因子Cwc21和Cwc22一起穩(wěn)定了外顯子。ATP酶/解螺旋酶Prp22位于高度不對稱的P complex的一個角落,主要與Prp8的Lingker結(jié)構(gòu)域相互作用。連接的外顯子錨定在U5 snRNA的loop上,保守的3’-拼接位點(3 ‘SS)的AG二核苷酸則坐落于活性位點。
盡管P complex的結(jié)構(gòu)高度類似于C* complex,該結(jié)構(gòu)仍然在剪接體的活性位點處揭示了意想不到的發(fā)現(xiàn),該發(fā)現(xiàn)對我們機制的理解pre-mRNA的拼接具有十分重要的啟示作用。同時結(jié)構(gòu)的闡釋使得我們理解了剪切體C*到P 和 the P到ILS 的轉(zhuǎn)變機制,因而是完成pre-mRNA剪接循環(huán)的必須一步。
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