RNA剪接“分子時(shí)鐘”精確原子模型

西湖大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院施一公教授研究組題為《ATP水解酶/解旋酶Prp2及其激活因子Spp2催化剪接體激活過(guò)程中結(jié)構(gòu)重塑的分子機(jī)理》的論文，2020年11月27日在《科學(xué)》雜志以長(zhǎng)文形式發(fā)表。此文報(bào)道了釀酒酵母處于激活狀態(tài)的剪接體2.5埃的高分辨率電鏡結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)是目前報(bào)道的最高分辨率的剪接體結(jié)構(gòu)，首次展示了剪接體狀態(tài)轉(zhuǎn)變過(guò)程中的“動(dòng)力驅(qū)動(dòng)”蛋白——ATP水解酶/解旋酶Prp2及其激活因子Spp2催化其重塑的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，為理解剪接體激活重塑的分子機(jī)理提供了迄今最清晰的結(jié)構(gòu)信息。相關(guān)研究顯示，人類超過(guò)95%的基因都會(huì)發(fā)生RNA剪接，任何異常、錯(cuò)誤的RNA剪接，都會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的遺傳紊亂和疾病，目前人類遺傳病大約有35%跟RNA剪接異常有關(guān)，針對(duì)這些RNA剪接的藥物靶點(diǎn)來(lái)設(shè)計(jì)藥物，有望推動(dòng)一些人類疑難疾病的治療。

生物的行為、語(yǔ)言、思考等一切生命活動(dòng)都由基因所控制，而RNA剪接是真核生物基因表達(dá)調(diào)控的重要環(huán)節(jié)之一。負(fù)責(zé)執(zhí)行RNA剪接反應(yīng)的是細(xì)胞核內(nèi)的剪接體，而剪接體需要“動(dòng)力驅(qū)動(dòng)”蛋白——ATP水解酶/解旋酶進(jìn)行嚴(yán)格的調(diào)控，它們?cè)诖呋艚芋w構(gòu)象的改變、控制RNA剪接的進(jìn)程、對(duì)RNA進(jìn)行檢驗(yàn)和校對(duì)等過(guò)程中有著極其關(guān)鍵的作用，被譽(yù)為RNA剪接的“分子時(shí)鐘”。

2015年，施一公研究組在世界上首次報(bào)道了裂殖酵母剪接體3.6埃的高分辨率結(jié)構(gòu)，首次展示了剪接體催化中心近原子分辨率的結(jié)構(gòu)。但如何闡述剪接體重塑蛋白控制剪接體狀態(tài)轉(zhuǎn)變的分子機(jī)理，揭示RNA剪接“分子時(shí)鐘”精確的原子模型，一直是領(lǐng)域內(nèi)的核心難題之一。

該研究組利用單顆粒冷凍電鏡技術(shù)重構(gòu)出了整體分辨率為2.5埃的Bactcomplex冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，其中，處于剪接體邊緣的結(jié)構(gòu)重塑蛋白ATP水解酶/解旋酶Prp2與其激活因子Spp2的分辨率高達(dá)3.2埃，并搭建了原子模型。在如此高的分辨率下，該文解析的Bactcomplex結(jié)構(gòu)首次觀察到了剪接體核心區(qū)域中的水分子通過(guò)氫鍵參與關(guān)鍵剪接位點(diǎn)的識(shí)別，以及與金屬離子的配位結(jié)合。令人驚喜的是，該結(jié)構(gòu)展示了激活因子Spp2通過(guò)四個(gè)關(guān)鍵的錨定位點(diǎn)，將Prp2固定到剪接體上。Spp2對(duì)于Prp2激活剪接體、催化剪接體結(jié)構(gòu)重塑的重要作用也被基于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的大量生化實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。