Mol Cell | 施一公团队报道人源剪接体的两个中间状态结构

引者荐语  

2014年，为庆祝X-射线晶体学百年，Nature杂志发表评论文章，提出了结构生物学的两大“圣杯": 核孔复合体NPC和剪接体。次年，施一公教授团队就首次解析了酵母剪接体的高分辨结构，并持续在该领域深耕，解析了多个不同状态下的酵母和人源剪切体的结构，近日又在Mol Cell发表文章报道人源剪接体的中间状态结构，将剪接体介导的RNA剪接过程更直观完整地展现了出来，为理解RNA剪接体分子机理提供了全面清晰的结构信息。值得一提的是，不到一周前，施一公教授课团队在Science杂志在线了另一圣杯NPC的精细结构工作，为NPC功能异常引起的人类疾病提供了有利线索。实现这两大“圣杯”结构的深层次结构解析，多项工作不约而同地得益于冷冻电镜技术的应用。 

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2022年6月14日，西湖大学生命科学学院施一公教授研究组于Molecular Cell在线发表了题为 Mechanism of exon ligation by human spliceosome （人源剪接体的外显子连接机制研究） 的文章， 成功捕获了人源剪接体的两个中间状态结构，进一步揭示了人源剪接体外显子连接催化的机理，为理解高等生物RNA剪接的动态过程与调控提供了重要的结构基础。

在真核生物细胞中，大部分基因是不连续的，它们的编码区 （exon） 被称为“内含子 （intron） ”的非编码区所间隔。在基因表达过程中，内含子需要经过“剪切”被去除，从而使编码区通过“连接”形成不同的信使RNA （mRNA） ，这个步骤被称为RNA剪接 （RNA splicing） 。RNA剪接是所有真核生物特有的过程，也是真核生物“中心法则”的关键步骤。同一个基因，由于内含子的边界和数量不同，经过可变剪接，便可产生出多种编码不同蛋白质的mRNA，因此RNA剪接也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。

研究发现，人类的遗传疾病大约有35%都与剪接异常相关。 RNA剪接这一复杂的生理过程在细胞核内由剪接体 （spliceosome） 来执行完成。剪接体是细胞内已知的最为复杂的大分子机器之一，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） 上完成组装、激活、催化和解聚等一系列过程，并最终在反应结束后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、pre-B、B、Bact、B*、C、C*、P、ILS等若干基本状态 （图1） 。

图1 RNA剪接示意图（图片来源：Yan et al., Cold Spring Harbor perspectives in biology, 2019, 11(1), a032409.）

解析剪接体的高分辨率结构对于理解剪接反应的机理至关重要。2015年，施一公课题组在世界上率先解析了剪接体的第一个高分辨率结构，并在后续几年又陆续报道了酵母剪接体和人源剪接体多个在不同工作状态下的高分辨率结构，提供了迄今为止最为全面和清晰的剪接体结构信息。然而与酵母剪接体相比，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，因此解析人源剪接体的不同瞬时状态结构十分困难。 在最新发表的这篇文章中，施一公教授研究组成功 捕获了人源剪接体第二步连接反应（Exon ligation）前的两个中间构象，分别命名为pre-C*-I和pre-C*-II，并解析了其高分辨率结构 。在结构信息中，不仅成功观察到3’exon如何被稳定识别，而且捕获了外显子连接前的瞬时状态，为理解Exon ligation提供了关键的结构信息。同时，在两个中间构象的结构中，一个新的剪接因子蛋白FAM192A被鉴定，为进一步揭示人源剪接体的复杂调控提供了重要信息。 两个人源剪接体中间态pre-C*-I和pre-C*-II的结构解析，为深入了解剪接体两步催化反应中的构象变化和外显子连接机制提供了重要的结构依据。

图2 人源剪接体pre-C*-I和pre-C*-II的结构解析 

西湖大学生命科学学院博士后占谢超和博士生卢怡辰为该文共同第一作者，占谢超和施一公教授为该文共同通讯作者。 

制版人：十一

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