施一公组再发Cell解析酵母P状态剪接体结构

 　　北京时间11月17日凌晨，Cell在线发表了施一公课题组题为“StructureofthePost-catalyticSpliceosomefromSaccharomycescerevisiae”的研究论文，解析了酿酒酵母平均分辨率为3.6?的催化后状态下的剪接体结构(Pcomplex)。据悉，这是施一公课题组今年在Cell上发表的第三篇关于剪接体的结构的研究论文，前面两篇论文分别是首次解析了人源剪接体结构和酿酒酵母内含子套索剪接体的三维结构。

　　最近，该专题将Nature系列杂志中的部分近期发表的代表性论文都精选了出来。

　　值得一提的是，施一公教授撰写的题为“MechanisticinsightsintoprecursormessengerRNAsplicingbythespliceosome”的综述发表在NatureReviewsMolecularCellBiology杂志上，而英国MRC的KiyoshiNagai等撰写的题为“Cryo-electronmicroscopysnapshotsofthespliceosome:structuralinsightsintoadynamicribonucleoproteinmachine”的综述则是发表在NatureStructural&MolecularBiology杂志上，两篇综述文章差不多在同一期间发表。另外，来自耶鲁大学的KarlaM.Neugebauer等人也差不多稍早前在NatureReviewsMolecularCellBiology杂志上发表了题为“Splicingandtranscriptiontouchbase:co-transcriptionalspliceosomeassemblyandfunction”的综述（下图）。

　　相比于原核生物，真核生物的基因表达更为复杂也更为精细。由于真核细胞内的基因是不连续的，需要在细胞核内被转录成前体信使RNA(pre-mRNA)后，通过RNA剪接，不具有翻译功能的内含子(intron)被去除，密码子所在的外显子(exon)被连接，从而得到成熟的、可被翻译成蛋白质的mRNA。RNA剪接是真核生物基因表达调控的重要环节之一，是“中心法则”的关键步骤之一。而负责执行这一过程的是细胞核内一个巨大的且高度动态变化的分子机器——剪接体（spliceosome）。剪接体在真核生物进化中极为保守，对于真核生物维持正常的生命活动至关重要。一个基因转录出的pre-mRNA可以通过RNA剪接形成若干种mRNA，于是极大地丰富了真核生物蛋白质组的多样性。在剪接反应过程中，多种蛋白质-核酸复合物及剪接因子按照高度精确的顺序发生结合和解聚，依次形成预组装复合物U4/U6.U5tri-snRNP以及至少7个状态的组装剪接体B、Bact、B*、C、C*、P以及ILS复合物。

　　剪接反应中的各个步骤。图片来源于：Shi,Y.(2017).MechanisticinsightsintoprecursormessengerRNAsplicingbythespliceosome.NatureReviewsMolecularCellBiology.

　　在经过近四十年的遗传和生化研究之后，剪接体介导的pre-mRNA的剪接过程的神秘的面纱逐渐被揭开。早在2015年8月，施一公课题组就在Science上背靠背地发表两篇研究长文，报道了裂殖酵母3.6?分辨率下的内含子套索剪切体ILScomplex的冷冻电镜结构，揭示了剪接体剪接活性位点的原子详情和总的蛋白和RNA的组织形式，并阐释了剪切体对pre-mRNA进行剪接的基本工作原理。此后，施一公教授课题组与MRC分子生物学实验室Nagai研究组、德国马普生物物理化学研究所ReinhardLüehrmann教授一起互补或背靠背地解析了酿酒酵母或人源的预组装复合物U4/U6.U5tri-snRNP、催化前复合物Bcomplex、激活状态复合物Bactcomplex、第一步催化反应复合物Ccomplex、第二步催化激活状态下的C*complex和内含子套索剪接体ILScomplex。除了Bcomplex，其它四个状态下的主要的结构特色都与裂殖酵母ILScomplex的一致。这样，就只剩下催化激活的复合物B*complex和催化后复合物Pcomplex在结构上未被表征。

　　在新解析的酿酒酵母3.6?的Pcomplex的冷冻结构电镜中，对36个剪接体蛋白，3个snRNA(U2、U5和U6)，1个连接的外显子和1个内含子套索进行了原子建模。最终的结构模型包括了9328个氨基酸酸残基和381个RNA核苷酸，联合起来的分子质量达到了~1.2MD。如之前预测的一样，Pcomplex的总的组织形式和详细的结构特色与C*complex的非常类似。

　　在Pcomplex中，步骤II剪接因子Prp17,Prp18和Slu7仍结合在活性位点附近。剪接因子Cwc21和Cwc22一起稳定了外显子。ATP酶/解螺旋酶Prp22位于高度不对称的Pcomplex的一个角落，主要与Prp8的Lingker结构域相互作用。连接的外显子锚定在U5snRNA的loop上，保守的3’-拼接位点(3‘SS)的AG二核苷酸则坐落于活性位点。

　　尽管Pcomplex的结构高度类似于C*complex，该结构仍然在剪接体的活性位点处揭示了意想不到的发现，该发现对我们机制的理解pre-mRNA的拼接具有十分重要的启示作用。同时结构的阐释使得我们理解了剪切体C*到P和theP到ILS的转变机制，因而是完成pre-mRNA剪接循环的必须一步。我们有理由期待施一公团队在B*complex的结构上的再次领先。所有状态下剪接体（近）原子分辨率下的结构解析，将对剪接体的组装、激活、催化和分解过程提供完整的机制上的见解。

　　据悉，清华大学生命学院施一公教授为本文的通讯作者；清华大学生命学院三年级博士研究生白蕊、博士后闫创业以及医学院五年级博士研究生万蕊雪为该文的共同第一作者。此外，施一公教授在这篇论文和九月份发表在Cell和NatureReviewsMolecularCellBiology杂志上的署名单位一致，除了清华大学之外，西湖大学（西湖高等研究院）也是署名单位之一。