科研 | 剪接体全体结构破译指日可待 ——施一公团队再发Science解析完全组装剪接体激活前结构

导读

大家都在高中生物课上学过遗传信息传递的中心法则——DNA被转录生成信使RNA，信使RNA被翻译成蛋白质（其中DNA和RNA都可以自我复制）。如果你进一步学过分子生物学或生物化学，知道真核生物DNA基因的不连续性，它们包括编码蛋白的外显子和不编码蛋白的内含子。因此，遗传信息从DNA到RNA（称pre-mRNA，前体信使RNA）后，需要经历内含子剪除和外显子拼接，这一过程被称为RNA剪接。而剪接体（spliceosome）是RNA剪接的主要执行者，它们由多种蛋白质和RNA组成（ribonucleoprotein，RNP），识别pre-mRNA上5‘剪接位点，按照高度精确的顺序发生不同组分的复合物组装、激活、催化、转脂等过程，最终解离成小的结构单元，进入下一个循环反应。目前已知的剪接体复合物依次为E、A、pre-B、B、Bact、B＊、C、C*、P、ILS（红色表示结构已知）等。这篇论文报道的是激活前的两个完全组装结构，称为预催化剪接体前体pre-B复合物和预催化剪接体B复合物，分辨率分别为3.3-4.6埃和3.9埃。该结构是目前组分最多、分子量最大的剪接体结构，清晰显示了剪接体组装前期pre-mRNA的5‘剪接位点识别状态和动态变化，为解释剪接体如何逐步组装和激活提供了至关重要的结构基础。

原名：Structures of the fully assembled Saccharomyces cerevisiae spliceosome before activation

译名：完全组装的酿酒酵母剪接体激活前结构

期刊：Science

IF：37.2

发表时间：2018年5月

通信作者：施一公

通信作者单位：清华大学

1、pre-B和B复合物冷冻电镜结构

pre-B复合物结构（图1）是目前已知的组分最多、分子量最大的剪接体，由U1 snRNP（包含16个蛋白）、U2 snRNP（包含18个蛋白）、tri-snRNP（U4，U5，U6，31个蛋白）和RES（包含3个蛋白）四个复合物组装形成，共有68个蛋白和6条RNA（5条snRNA，一条pre-mRNA）。B复合物共55个蛋白（图1B），4条snRNA和1条pre-mRNA。这两个结构首次清楚地展示了剪接体组装前期U1 snRNP识别的pre-mRNA5‘剪接位点，以及各组分蛋白、RNA间的相互作用。

图1 完全组装的预催化剪接体前体Pre-B和预催化剪接体B复合物结构。

2、pre-B向B转变的结构改变

pre-B与B复合物结构区别主要包括：（1）B复合物没有U1 snRNP组分（图2A中粉色），这使得1a）pre-mRNA5‘剪接位点由起初的被U1 snRNP识别，转为被U6 snRNP识别；1b）pre-B中原有的U1 snRNP和U2 snRNP相互作用消失，该相互作用由U2 snRNA和U1 Prp42蛋白表面带正电的残基维系（图2B）；（2）B复合物中U2 snRNP转向tri-snRNP，两组分相互作用更强，这使得2a）tri-snRNP组分中的Brr2蛋白旋转了～30度，空间位置转移了40-50埃（图2E）；2b）U2 snRNP组分中的Hsh155蛋白移向tri-snRNP组分中LSm蛋白（图2C和2F中黄色与淡粉色），U2 snRNP中的Cus1与Rse1蛋白和tri-snRNP中的Brr2蛋白由原来的无相互作用（图2D）到有直接接触（图2G）；（3）B复合物中新招募了三个蛋白（Prp38、snu23和Spp381），且三者形成相互作用（图2H）。其中，Prp38和Snu23的表面带正电势能可能对pre-mRNA的5’末端摆向有一定贡献（图2I）。

图2 pre-B和B复合物结构的改变及对具体组分构象的影响

3、不完全组装的预剪接体A复合物结构模型

由于pre-B复合物是由A复合物（包含U1和U2-snRNP）和tri-snRNP组装而成，本文解析的pre-B中U1和U2-snRNP只是短暂地与tri-snRNP形成接触界面，因此A复合物中的U1和U2-snRNP构象可能与pre-B中的U1和U2-snRNP相似。根据这个推测，本文构建了更早期的不完全组装预剪接体A复合物模型（图3A）。

之前的研究工作表明，剪接体组装第一步是A复合物结合tri-snRNP形成pre-B复合物；第二步，在腺苷三磷酸酶／解旋酶Prp28的作用下，U1-snRNP解离，释放的5‘剪接位点在B复合物特异蛋白的帮助下重置于U6和U5 snRNA附近；第三步，在腺苷三磷酸酶／解旋酶Brr2的作用下，B复合物经历构象变化，形成Bact复合物（图3B）。

图3酿酒酵母剪接体组装和激活机制。（A）推测的不完全组装复合物A结构模型。（B）酿酒酵母剪接体组装和激活机制流程图。

本次报道的结构，和之前不同状态的剪接体结构贯连在一起，清楚地展示了pre-mRNA在剪接体组装和激活状态下的变动。具体地，从pre-B到B，pre-mRNA5‘剪接位点重置了～90埃，从B到Bact，重置了40埃。

RNA剪接的每一过程都由特定RNA和蛋白质组装而成的复合物参与，施一公团队自2015年8月报道首个裂殖酵母剪接体冷冻电镜结构（包含U2，U6，U5，NTC，NTR，位于图4中央）以来，共解析了剪接过程的9个高分辨率复合物结构（图4），包括预组装复合物U4/U6.U5 Tri-snRNP、激活状态的Bact、第一步催化反应后复合物C、第二步催化激活状态下的C＊、转脂反应后的P复合物、内含子套索剪接体ILS复合物，以及本篇论文解析的完全组装激活前pre-B和B复合物。至此，完全组装的剪接体结构中，只剩下B*复合物结构未知。

图4 施一公团队解析的剪接体结构汇总

相信在不久的将来，图4中的所有复合物结构都会问世，这些结构的解析，将清楚地呈现出剪接体组装前后、激活前后、催化反应前后、转脂反应前后构象的变化，为揭示剪接体分子机制提供最直接全面的结构基础，对剪接体研究领域做出极为重要的贡献。

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