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清华博士后发表《Science》文章:首次报道人源剪接体催化步骤

生物通2019-06-17 03:05:07
与酵母剪接体相比,以人类为代表的高等生物的剪接体组成、组装和调控更为复杂,其结构研究也因为组成的复杂性和构象的不稳定性而进展缓慢。

剪接反应过程示意图(图片修改自Janine,2012)


自2015年,清华大学施一公教授研究组首次报道了裂殖酵母剪接体3.6 Å的高分辨率结构之后,这一研究组陆续解析了7个不同状态的剪接体高分辨的三维结构,整个剪接通路,将剪接体介导RNA剪接的过程串联了起来。但是与酵母剪接体相比,以人类为代表的高等生物的剪接体组成、组装和调控更为复杂,其结构研究也因为组成的复杂性和构象的不稳定性而进展缓慢。


近期这一研究组发表了题为“Structure of a human catalytic step I spliceosome”的文章,报告了人源剪接体C复合物的冷冻电镜结构,平均分辨率达到4.1 Å,他们也将这一结构与酿酒酵母剪接体C复合物的结构进行了比对,这将有助于揭示核糖核蛋白重构的机理。



闫创业博士


这一研究成果公布在1月5日的Science杂志上,文章的通讯作者为施一公教授,以及闫创业博士,闫创业博士高中学习阶段就曾摘下全国生物奥林匹克竞赛全国一等奖的桂冠,2005年保送进入清华大学化学系,此后又保送至清华大学生命科学学院,攻读生物学博士学位,师从施一公教授。在其攻读博士学位期间,就曾以共同第一作者身份在国际顶级学术期刊Nature及Science上发表论文。最新这项成果就是他在施一公教授的指导下完成的又一重要发现。


在真核生物细胞内,大多数基因是不连续的,它们的编码区(exon)被称为“内含子(intron)”的非编码序列隔断。在基因表达过程中,内含子需要经过“剪”和“接”这两步化学反应被去除,从而使得编码区可以连接成不同的信使RNA(mRNA)。同一个基因,因为内含子的边界和数量不同,经过剪接,便可以产生出多种编码蛋白的mRNA。RNA剪接是所有真核生物特有的过程,是真核生物“中心法则”的关键步骤之一,也被认为是真核生物复杂性的重要分子基础。RNA剪接过程必须高度精准,任何错误都有可能导致基因表达异常乃至疾病的发生。据统计,1/3以上的遗传性疾病与RNA剪接异常有关。

RNA剪接这一复杂的生理过程由剪接体(spliceosome)来执行。剪接体是细胞中已知的最为复杂的大分子机器,分子量巨大并且高度动态,主要由蛋白质-核酸形成的复合物(ribonucleoprotein,RNP)组装形成,它在前体信使RNA(pre-mRNA)上完成识别、组装、激活、催化等一系列过程,并最终在反应结束后解离成许多小的功能单元,以进入下一个反应循环。根据剪接体的组成与构象的不同,可以将剪接体分为E、A、B、Bact、B*、C、C*、P、ILS等若干状态。


由于超过1/3的人类遗传病与剪接过程中的错误直接相关,解析人源剪接体的结构不仅能帮助理解剪接反应的化学本质,更能促进对一些疾病发病机制的理解,并为研发针对剪接体的相关药物提供可能。因此人源剪接体的结构解析是极其重要并亟需解决的难题。去年,施一公教授研究组利用修饰过的pre-mRNA,在体外进行人源剪接体的组装,把剪接反应锁定在了第一步反应之后与第二步反应之前的状态,即C*状态。由于人源剪接体非常不稳定,研究人员使用化学交联剂在温和的条件下对剪接体进行固定,成功获得了稳定的人源剪接体样品,并采用单颗粒冷冻电镜重构出了3.8埃的近原子分辨率结构。


在此基础上,研究人员又报告了人源剪接体C复合物的冷冻电镜结构,平均分辨率达到4.1 Å,他们也将这一结构与酿酒酵母剪接体C复合物的结构进行了比对,相较于酿酒酵母剪接体,人源C复合物含有另外11种蛋白。第一步催化反应的剪接作用因子CCDC49和CCDC94(分别对应于酿酒酵母中的Cwc25和Yju2),能与DEAH家族ATP酶/解旋酶Prp16紧密相互作用,并且在Prp16和RNA元件活性位点之间搭建桥梁。


这些结构特征,以及人源C复合物与C *复合物之间的结构比较,都揭示出了核糖核蛋白重构的新机理机制,同时也有助于下一步C-C *转变的研究工作。

 

原文标题


Structure of a human catalytic step I spliceosome