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Cell:清华大学施一公研究组首次报道人源剪接体的高分辨率三维结构

摘要 : 2017年5月12日,国际著名学术杂志《Cell》杂志在线发表了清华大学生命学院施一公研究组题为《人源剪接体的原子分辨率结构》(An Atomic Structure of the Human Spliceosome)的研究论文。

 2017年5月12日,国际著名学术杂志《Cell》杂志在线发表了清华大学生命学院施一公研究组题为《人源剪接体的原子分辨率结构》(An Atomic Structure of the Human Spliceosome)的研究论文。这是第一个高分辨率的人源剪接体结构,也是首次在近原子分辨率尺度上观察到酵母以外、来自高等生物的剪接体结构,进一步揭示了剪接体的组装和工作机理,为理解高等生物的RNA剪接过程提供了重要基础。北京大学、清华大学和北京生命科学研究所联合培养博士研究生项目2015级博士生张晓峰、结构生物学高精尖创新中心卓越学者闫创业、医学院博士生杭婧为本文共同第一作者,施一公教授和闫创业博士为本文共同通讯作者。

在真核生物细胞内,大多数基因是不连续的,其编码区(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(图1)。

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8月,施一公课题组在世界上率先解析了酵母剪接体的高分辨率结构,在2016年又陆续报道了酵母剪接体在不同工作状态下的高分辨结构,提供了迄今为止最为全面和清晰的剪接体结构信息,揭示了RNA剪接的分子基础,极大地推动了这一领域的发展。

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,其结构研究也因组成的复杂性和构象的不稳定性而进展缓慢。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。

研究长文中,施一公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(图2和图3)。

在该结构中,剪接体核心区分辨率高达3.0-3.5埃,清晰地展示了由20余个蛋白与RNA组成的催化反应中心的结构(图4)。同时,他们观察到与第二步反应密切相关的剪接因子所呈现出的特定构象,对于稳定反应活性中心以及催化第二步转酯反应至关重要。该结构的解析为揭示第二步反应过程中剪接体的构象变化以及3’剪接位点的识别提供了重要的结构依据。

图1 剪接反应过程示意图

图2 人源剪接体的结构示意图

图3 人源剪接体与酵母剪接体的比较

图4 人源剪接体的催化中心与调控机制

原文链接:

An Atomic Structure of the Human Spliceosome

原文摘要:

Mechanistic understanding of pre-mRNA splicing requires detailed structural information on various states of the spliceosome. Here we report the cryo electron microscopy (cryo-EM) structure of the human spliceosome just before exon ligation (the C∗ complex) at an average resolution of 3.76 Å. The splicing factor Prp17 stabilizes the active site conformation. The step II factor Slu7 adopts an extended conformation, binds Prp8 and Cwc22, and is poised for selection of the 3′-splice site. Remarkably, the intron lariat traverses through a positively charged central channel of RBM22; this unusual organization suggests mechanisms of intron recruitment, confinement, and release. The protein PRKRIP1 forms a 100-Å α helix linking the distant U2 snRNP to the catalytic center. A 35-residue fragment of the ATPase/helicase Prp22 latches onto Prp8, and the quaternary exon junction complex (EJC) recognizes upstream 5′-exon sequences and associates with Cwc22 and the GTPase Snu114. These structural features reveal important mechanistic insights into exon ligation.

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