把遺傳密碼中“無(wú)效”的內(nèi)含子“剪”出來(lái)，“有效”的外顯子“接”到一起的過(guò)程叫做RNA剪接，它是生命體解讀遺傳密碼的核心步驟。負(fù)責(zé)執(zhí)行這一步驟的就是細(xì)胞核內(nèi)復(fù)雜精密的分子機(jī)器——剪接體。

——萬(wàn)蕊雪 西湖大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院西湖學(xué)者

◎本報(bào)記者 劉園園

記者從西湖大學(xué)獲悉，該校生命科學(xué)學(xué)院施一公教授研究組1月29日在《科學(xué)》雜志發(fā)表論文，首次報(bào)道了迄今整體研究知之甚少的次要剪接體的高分辨率三維結(jié)構(gòu)，展示了在剪接反應(yīng)中的一個(gè)關(guān)鍵構(gòu)象——激活態(tài)次要剪接體，整體分辨率高達(dá)2.9埃(1埃為0.1納米)。

此次研究突破，被視作RNA剪接領(lǐng)域一項(xiàng)里程碑式的工作，使施一公研究組成為世界上首個(gè)解析了次要剪接體高分辨率三維結(jié)構(gòu)的團(tuán)隊(duì)。施一公教授與西湖大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院西湖學(xué)者萬(wàn)蕊雪博士為論文的共同通訊作者;該學(xué)院博士后白蕊與萬(wàn)蕊雪為本文的共同第一作者。

解讀遺傳信息的核心分子機(jī)器

次要剪接體是什么?研究它有什么意義?

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，剪接體是解讀遺傳信息的核心分子機(jī)器。

“在高等生物中，一段又一段的遺傳信息藏在核酸分子中。其中，‘無(wú)效’的遺傳信息不具有翻譯功能，被稱為內(nèi)含子，而可以被核糖體翻譯的有效遺傳信息叫做外顯子。”萬(wàn)蕊雪說(shuō)。

萬(wàn)蕊雪介紹，把這些遺傳密碼中“無(wú)效”的內(nèi)含子“剪”出來(lái)，“有效”的外顯子“接”到一起的過(guò)程叫做RNA剪接，它是生命體解讀遺傳密碼的核心步驟。負(fù)責(zé)執(zhí)行這一步驟的就是細(xì)胞核內(nèi)復(fù)雜精密的分子機(jī)器——剪接體。

剪掉誰(shuí)，剪掉多長(zhǎng)，什么時(shí)候剪，按照什么順序把外顯子拼接起來(lái)，每一個(gè)“操作”都可能改變細(xì)胞命運(yùn)。研究發(fā)現(xiàn)，人類的遺傳疾病大約有35%都是因?yàn)榧艚赢惓Ｔ斐傻摹?/p>

20世紀(jì)90年代，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)一類非經(jīng)典的內(nèi)含子剪接序列，一種全新的剪接體開(kāi)始進(jìn)入科學(xué)家的視野。

在隨后的研究中，科學(xué)家們逐漸確定了這個(gè)全新剪接體的核酸組成，其中U11、U12、U4atac、U6atac四種新的snRNA參與該類內(nèi)含子的識(shí)別與剪接。由于這種非經(jīng)典的內(nèi)含子占比不足1%，該類內(nèi)含子被稱作稀有內(nèi)含子(或U12依賴型內(nèi)含子)，催化該類內(nèi)含子剪接的這種全新剪接體被命名為——次要剪接體。

“盡管由次要剪接體進(jìn)行剪接的稀有內(nèi)含子含量極低，但是這些基因卻與許多重要的細(xì)胞基本生命活動(dòng)密切相關(guān)。”萬(wàn)蕊雪說(shuō)，許多人類疾病與次要剪接體和稀有內(nèi)含子有關(guān)，例如生長(zhǎng)激素缺乏癥、小腦共濟(jì)失調(diào)、骨髓增生異常綜合征等。然而，對(duì)于U12依賴型內(nèi)含子以及次要剪接體的研究卻發(fā)展緩慢，次要剪接體的蛋白組成、重塑調(diào)控等關(guān)鍵的科學(xué)問(wèn)題，一直沒(méi)有答案。其中非常重要的一步——如何捕獲并純化次要剪接體，是相關(guān)研究面臨的一個(gè)巨大難題。

首次建立完整的次要剪接體捕獲與純化方法

“在沒(méi)有任何次要剪接體的捕獲與純化等相關(guān)文獻(xiàn)的情況下，摸索并建立次要剪接體的捕獲與純化方法迫在眉睫。”白蕊說(shuō)。

施一公研究組的白蕊與萬(wàn)蕊雪長(zhǎng)期從事剪接體的純化與結(jié)構(gòu)研究工作，積累了大量剪接體結(jié)構(gòu)研究的經(jīng)驗(yàn)。

在研究經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)之上，結(jié)合次要剪接體識(shí)別位點(diǎn)的特異性，研究組首次設(shè)計(jì)出一條全新的U12依賴型pre-mRNA。通過(guò)改良前人的體外剪接反應(yīng)實(shí)驗(yàn)條件，成功地確定了該U12依賴型的pre-mRNA具有極高的特異性與剪接的高效性。

“由于次要剪接體的含量極低，如何進(jìn)一步獲得性質(zhì)良好的次要剪接體樣品，成為了本次研究的一大難點(diǎn)。”白蕊說(shuō)。

白蕊和萬(wàn)蕊雪在原有的剪接體純化基礎(chǔ)之上，進(jìn)一步探索與改良，最終首次建立起一套完整的次要剪接體捕獲與純化方法，成功獲得了處于激活態(tài)的次要剪接體的蛋白樣品，隨后利用單顆粒冷凍電鏡技術(shù)重構(gòu)出了世界上首個(gè)次要剪接體的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，整體分辨率為2.9埃，并搭建了第一個(gè)次要剪接體的原子模型，其中包含4條RNA和45個(gè)蛋白。

“作為首次揭示人源次要剪接體的結(jié)構(gòu)研究，本次建立的捕獲與純化次要剪接體的方法、鑒定的參與次要剪接體的組成的全新蛋白等，都將對(duì)U12依賴型的RNA剪接分子機(jī)理的研究產(chǎn)生重要影響。”白蕊說(shuō)，未來(lái)，研究團(tuán)隊(duì)將聚焦次要剪接體研究領(lǐng)域，進(jìn)一步探究其分子機(jī)理、調(diào)控通路及功能意義等。

關(guān)鍵詞： 科學(xué)家 特殊“剪刀”