施一公團隊新方向：報道首個人源次要剪接體的電鏡結構

　　北京時間2021年1月29日，西湖大學教授施一公研究組在《科學》發文，首次報道了“神秘”的次要剪接體的高分辨率三維結構。

　　這也標志著該團隊在一個新的研究方向上邁出關鍵一步。

　　生物體的遺傳信息經過“轉錄”從DNA傳遞給RNA，再經過“翻譯”從RNA傳遞給蛋白質，這就是分子生物學的“中心法則”。但在真核生物DNA中，有大量看似“無效”的片段無法被最終翻譯為蛋白質。

　　“就像電影制作中，會剪掉不需要的片段，再把需要的片段連接在一起。成熟mRNA的形成，就經過了內含子序列被剪切，外顯子序列被連接的過程。這個過程被稱為‘RNA剪接’，過程的執行者就是剪接體。”論文共同第一作者之一、西湖大學生命科學學院博士后白蕊向《中國科學報》解釋，“同樣，正如電影的剪輯方式和順序會影響最終呈現效果，通過排列組合，有限的基因組也能編碼更多蛋白質。這也就是為什么人有2萬多個基因，但是蛋白有幾十萬個。”

　　過去十多年來，施一公研究組一直致力于剪接體的三維結構解析與分子機理研究。自2015年報道了第一個剪接體的高分辨率三維結構后，他們已完成解析的剪接體覆蓋了整個RNA剪接循環，在國際學界率先將剪接體介導的RNA剪接過程完整地串聯了起來。

　　除此之外，還有一類非常稀少和神秘的“次要剪接體”。這類剪接體所識別并剪接的是一種非經典的內含子序列，該類內含子在人體內的含量不足1%，被稱為“稀有內含子”，但它們卻與許多重要的細胞生命活動密切相關。次要剪接體與主要剪接體識別的剪接位點不同，在RNA和蛋白質組成上也存在較大差異。

　　“怎么把這1%的少數派捕獲并提取出來，跟主要剪接體區分開來？這是領域內一直以來未突破的難題。”白蕊說，“因此次要剪接體被發現幾十年來，相關研究非常匱乏。”

人源次要剪接體的三維結構

　　在沒有任何次要剪接體的捕獲與純化等相關文獻的情況下，白蕊和另一位共同第一作者、與施一公同為共同通訊作者的西湖大學生命科學學院西湖學者萬蕊雪一起，設計了一個高效的底物pre-mRNA，特異性地“釣”出了次要剪接體，同時改進純化方式，使獲得的次要剪接體更加穩定。在此基礎上他們利用單顆粒冷凍電鏡技術重構出了世界上首個次要剪接體的冷凍電鏡結構，整體分辨率高達2.9埃，并搭建了第一個次要剪接體的原子模型，其中包含了4條RNA和45個蛋白。

次要剪接體與主要剪接體的結構差異

　　該結構第一次展示了人源次要剪接體的組成及其對稀有內含子的識別機理，首次揭示了次要剪接體的催化中心以及活性位點，并且通過結構解析鑒定了次要剪接體的全新蛋白組分，揭示了它們對次要剪接體及稀有內含子剪接的重要作用。

　　這一研究成果使施一公研究組繼2015年首次解析世界上第一個剪接體結構、2017年解析第一個人源剪接體結構之后，再次成為世界上首個解析了次要剪接體高分辨率三維結構的團隊。

施一公研究組解析的剪接體結構匯總。（圖片來源: Wan et.al, 2020, Annu Rev Biochem）

　　“我們對次要剪接體的研究，才剛剛開始。”白蕊說。據她介紹，未來這個研究團隊將聚焦次要剪接體研究領域，進一步探究其分子機理、調控通路及功能意義等。

　　“這是RNA剪接領域一項里程碑式的工作。”清華大學生命科學學院研究員閆創業對《中國科學報》說，“之前人們對次要剪接體的研究主要集中在生化方面，包括它識別的U12內含子、參與組成的蛋白質、可能的剪接途徑等，但是其結構研究一直進展緩慢。事實上，次要剪接體的結構研究本身是非常重要的科學問題，只是次要剪接體的樣品制備十分困難，決定了國際上只有少數幾個研究組能夠參與這類研究。”

　　他指出，盡管次要剪接體占比很少，但許多人類疾病與次要剪接體和U12內含子有關，例如生長激素缺乏癥，小腦共濟失調、骨髓增生異常綜合征等。結構研究能大大加深科研人員對次要剪接體的認知，可能會進一步促進次要剪接體的生化與疾病相關研究。

　　“這次突破究竟能引起什么樣的‘蝴蝶效應’，我也很期待。”閆創業說。