把遺傳密碼中“無效”的內(nèi)含子“剪”出來，“有效”的外顯子“接”到一起的過程叫做RNA剪接，它是生命體解讀遺傳密碼的核心步驟。負責執(zhí)行這一步驟的就是細胞核內(nèi)復(fù)雜精密的分子機器——剪接體。
——萬蕊雪 西湖大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院西湖學(xué)者
◎本報記者 劉園園
記者從西湖大學(xué)獲悉，該校生命科學(xué)學(xué)院施一公教授研究組1月29日在《科學(xué)》雜志發(fā)表論文，首次報道了迄今整體研究知之甚少的次要剪接體的高分辨率三維結(jié)構(gòu)，展示了在剪接反應(yīng)中的一個關(guān)鍵構(gòu)象——激活態(tài)次要剪接體，整體分辨率高達2.9埃（1埃為0.1納米）。
此次研究突破，被視作RNA剪接領(lǐng)域一項里程碑式的工作，使施一公研究組成為世界上首個解析了次要剪接體高分辨率三維結(jié)構(gòu)的團隊。施一公教授與西湖大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院西湖學(xué)者萬蕊雪博士為論文的共同通訊作者；該學(xué)院博士后白蕊與萬蕊雪為本文的共同第一作者。
解讀遺傳信息的核心分子機器
次要剪接體是什么？研究它有什么意義？
簡單來說，剪接體是解讀遺傳信息的核心分子機器。
“在高等生物中，一段又一段的遺傳信息藏在核酸分子中。其中，‘無效’的遺傳信息不具有翻譯功能，被稱為內(nèi)含子，而可以被核糖體翻譯的有效遺傳信息叫做外顯子。”萬蕊雪說。
萬蕊雪介紹，把這些遺傳密碼中“無效”的內(nèi)含子“剪”出來，“有效”的外顯子“接”到一起的過程叫做RNA剪接，它是生命體解讀遺傳密碼的核心步驟。負責執(zhí)行這一步驟的就是細胞核內(nèi)復(fù)雜精密的分子機器——剪接體。
剪掉誰，剪掉多長，什么時候剪，按照什么順序把外顯子拼接起來，每一個“操作”都可能改變細胞命運。研究發(fā)現(xiàn)，人類的遺傳疾病大約有35%都是因為剪接異常造成的。
20世紀90年代，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)一類非經(jīng)典的內(nèi)含子剪接序列，一種全新的剪接體開始進入科學(xué)家的視野。
在隨后的研究中，科學(xué)家們逐漸確定了這個全新剪接體的核酸組成，其中U11、U12、U4atac、U6atac四種新的snRNA參與該類內(nèi)含子的識別與剪接。由于這種非經(jīng)典的內(nèi)含子占比不足1%，該類內(nèi)含子被稱作稀有內(nèi)含子（或U12依賴型內(nèi)含子），催化該類內(nèi)含子剪接的這種全新剪接體被命名為——次要剪接體。
“盡管由次要剪接體進行剪接的稀有內(nèi)含子含量極低，但是這些基因卻與許多重要的細胞基本生命活動密切相關(guān)。”萬蕊雪說，許多人類疾病與次要剪接體和稀有內(nèi)含子有關(guān)，例如生長激素缺乏癥、小腦共濟失調(diào)、骨髓增生異常綜合征等。然而，對于U12依賴型內(nèi)含子以及次要剪接體的研究卻發(fā)展緩慢，次要剪接體的蛋白組成、重塑調(diào)控等關(guān)鍵的科學(xué)問題，一直沒有答案。其中非常重要的一步——如何捕獲并純化次要剪接體，是相關(guān)研究面臨的一個巨大難題。
首次建立完整的次要剪接體捕獲與純化方法
“在沒有任何次要剪接體的捕獲與純化等相關(guān)文獻的情況下，摸索并建立次要剪接體的捕獲與純化方法迫在眉睫。”白蕊說。
施一公研究組的白蕊與萬蕊雪長期從事剪接體的純化與結(jié)構(gòu)研究工作，積累了大量剪接體結(jié)構(gòu)研究的經(jīng)驗。
在研究經(jīng)驗基礎(chǔ)之上，結(jié)合次要剪接體識別位點的特異性，研究組首次設(shè)計出一條全新的U12依賴型pre-mRNA。通過改良前人的體外剪接反應(yīng)實驗條件，成功地確定了該U12依賴型的pre-mRNA具有極高的特異性與剪接的高效性。
“由于次要剪接體的含量極低，如何進一步獲得性質(zhì)良好的次要剪接體樣品，成為了本次研究的一大難點。”白蕊說。
白蕊和萬蕊雪在原有的剪接體純化基礎(chǔ)之上，進一步探索與改良，最終首次建立起一套完整的次要剪接體捕獲與純化方法，成功獲得了處于激活態(tài)的次要剪接體的蛋白樣品，隨后利用單顆粒冷凍電鏡技術(shù)重構(gòu)出了世界上首個次要剪接體的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，整體分辨率為2.9埃，并搭建了第一個次要剪接體的原子模型，其中包含4條RNA和45個蛋白。
“作為首次揭示人源次要剪接體的結(jié)構(gòu)研究，本次建立的捕獲與純化次要剪接體的方法、鑒定的參與次要剪接體的組成的全新蛋白等，都將對U12依賴型的RNA剪接分子機理的研究產(chǎn)生重要影響。”白蕊說，未來，研究團隊將聚焦次要剪接體研究領(lǐng)域，進一步探究其分子機理、調(diào)控通路及功能意義等。
