破解RNA剪接之謎

2015年8月21日，著名期刊《科學(xué)》刊登了清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院教授施一公研究組關(guān)于剪接體分子結(jié)構(gòu)和機(jī)理研究的論文。該項(xiàng)突破性的進(jìn)展被科學(xué)界評(píng)論為“中國(guó)科學(xué)家近幾十年來(lái)對(duì)科學(xué)的最重大的貢獻(xiàn)之一”。

兩篇論文分別為《3.6埃分辨率的酵母剪接體結(jié)構(gòu)》（Structure of a Yeast Spliceosome at 3.6 Angstrom Resolution）和《前體信使RNA剪接的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)》（Structural Basis of Pre-mRNA Splicing）。第一篇報(bào)道了通過單顆粒冷凍電子顯微技術(shù)（冷凍電鏡）解析的酵母剪接體近原子分辨率的三維結(jié)構(gòu)；第二篇文章在此結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上闡述了剪接體對(duì)前體信使RNA執(zhí)行剪接的基本工作機(jī)理。

DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)者之一的弗朗西斯·克里克于1958年提出了經(jīng)典的生物學(xué)“中心法則”，清晰地闡述了遺傳信息在細(xì)胞內(nèi)傳遞的過程。圍繞“中心法則”誕生了多個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)。其中，RNA聚合酶和核糖體的結(jié)構(gòu)解析曾分別獲得2006年和2009年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

研究核糖體結(jié)構(gòu)的著名專家、加州大學(xué)圣克魯茲分校教授哈里·諾勒說：“與剪接體的復(fù)雜結(jié)構(gòu)相比，核糖體就跟兒童玩具一樣?！奔艚芋w具有高度復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)解析的難度被普遍認(rèn)為高于RNA聚合酶和核糖體，因此許多科學(xué)家望而卻步。

施一公研究組的成果引來(lái)學(xué)術(shù)界高度關(guān)注。2009年諾貝爾生理與醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)得主杰克·肖斯德克（Jack Szostak）說：“剪接體是細(xì)胞內(nèi)最后一個(gè)被等待解析結(jié)構(gòu)的超大復(fù)合體，而這一等待實(shí)在已經(jīng)太久了。施一公教授這一項(xiàng)成果為該領(lǐng)域進(jìn)一步研究開啟了大門?！?/p>

施一公研究組所獲得的剪接體結(jié)構(gòu)，無(wú)論從分辨率還是完整性上都超越了當(dāng)前世界其他實(shí)驗(yàn)室的研究水平。清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院結(jié)構(gòu)生物學(xué)家柴繼杰分析，之前的結(jié)構(gòu)研究無(wú)論從分辨率還是剪接體的完整性來(lái)說，都和這一結(jié)果無(wú)法比擬。英國(guó)醫(yī)學(xué)研究委員會(huì)（MRC）分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室有一個(gè)所都在集中精力來(lái)解剪接體結(jié)構(gòu)。該實(shí)驗(yàn)室是劍橋大學(xué)最引以為傲的實(shí)驗(yàn)室之一，這里走出過14名諾貝爾獎(jiǎng)得主。

施一公團(tuán)隊(duì)獲得3.6埃分辨率的酵母剪接體結(jié)構(gòu)，核心區(qū)域的分辨率甚至超過3.2埃，遙遙領(lǐng)先。兩個(gè)月前MRC分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室的Kiyoshi Nagai團(tuán)隊(duì)剛把分辨率提高到5.9埃。

1埃等于10-10米，即0.1納米。此前，冷凍電鏡所達(dá)到的最高分辨率為20-29埃。中國(guó)科學(xué)院生物物理所結(jié)構(gòu)生物學(xué)博士研究生范敏銳說：“目前冷凍電鏡的分辨率很難超過3埃。極個(gè)別的蛋白質(zhì)分子或能達(dá)到2埃多?！?/p>

柴繼杰也指出：“3.6埃的分辨率可以得到氨基酸側(cè)鏈的信息，也就是說結(jié)構(gòu)中的蛋白質(zhì)的序列可以得到確認(rèn)。3.6埃是電鏡結(jié)構(gòu)很高的分辨率，尤其是對(duì)剪接體這樣沒有對(duì)稱性的結(jié)構(gòu)?！?/p>

從完整性上來(lái)說，施一公研究組解析了好幾個(gè)主要剪接體的共有結(jié)構(gòu)，其解析對(duì)象是真正的剪接體，而不是Kiyoshi Nagai團(tuán)隊(duì)所取得的參與剪接體組裝過程的復(fù)合物。

這兩篇文章的共同第一作者閆創(chuàng)業(yè)、杭婧和萬(wàn)蕊雪都是來(lái)自清華的“85后”學(xué)生。施一公表示，取得如此斐然的成果，靠的是“優(yōu)秀的團(tuán)隊(duì)+運(yùn)氣”。這三人缺一不可，每個(gè)人都有專長(zhǎng)，并且在自己專長(zhǎng)的領(lǐng)域里達(dá)到了很高的水平。正因?yàn)樗麄兊呐?，我們才能領(lǐng)先其他競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手做出這一成果。

要獲得高分辨率和高完整度的剪接體結(jié)構(gòu)，除了依靠先進(jìn)的冷凍電鏡外，前期的樣品制備和后期的數(shù)據(jù)處理同樣重要。

前期樣品的制備主要有杭婧和萬(wàn)蕊雪承擔(dān)。由于不同的樣品制備的方法和條件都不相同，沒有經(jīng)驗(yàn)也沒有人可以請(qǐng)教，研究人員只能通過大量閱讀和反復(fù)試驗(yàn)不斷摸索。每天在實(shí)驗(yàn)室工作14個(gè)-16個(gè)小時(shí)，最終摸索出一套屬于自己的樣品制備方法，為最終獲得高分辨率的結(jié)構(gòu)奠定了基礎(chǔ)。

施一公說：“我們能領(lǐng)先競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的原因之一是，擁有成熟的樣品處理方法。這是他們實(shí)驗(yàn)室的獨(dú)門絕招，這個(gè)絕招即便寫出來(lái)，別人不在我的實(shí)驗(yàn)室做上一兩年也很難理解或吃透，因?yàn)檫@是師傅帶徒弟一點(diǎn)點(diǎn)積累起來(lái)的?！?/p>

在后期數(shù)據(jù)處理階段，閆創(chuàng)業(yè)獨(dú)創(chuàng)的一套數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)一步提高了結(jié)構(gòu)的分辨率。論文發(fā)表之后，世界各地的實(shí)驗(yàn)室也紛紛發(fā)來(lái)郵件詢問和索求這套數(shù)據(jù)處理“秘籍”。

對(duì)于下一步工作計(jì)劃，施一公表示，目前他們完成的是幾個(gè)主要剪接體的共同部分，下一步希望能夠看清楚它們之間的不同部分，從而可以更完整地揭示剪接體的剪接機(jī)制。