生化教科書將剪接體形容為細(xì)胞里最復(fù)雜的超大分子復(fù)合物。剪接體結(jié)構(gòu)解析的難度普遍認(rèn)為高于RNA聚合酶和核糖體，后兩者的結(jié)構(gòu)解析曾分別獲得2006年和2009年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。
我們都知道，包括人類在內(nèi)的每一種生物的生命活動(dòng)，包括行為、語言、認(rèn)知等等，都是由基因所編碼的。那么基因是如何控制生物體的生命過程呢？那就不得不提DNA了。眾所周知，DNA是遺傳物質(zhì)。但是DNA本身沒有辦法直接控制細(xì)胞活動(dòng)，它需要將自身攜帶的遺傳信息經(jīng)過RNA轉(zhuǎn)化到蛋白質(zhì)，后者直接執(zhí)行生命活動(dòng)。如果很難理解，不妨把DNA想象成我們的大腦，本身并不能跑不能跳，大腦（DNA）需要通過神經(jīng)系統(tǒng)（RNA）來控制肌肉等組織器官（蛋白質(zhì)）讓我們能吃能動(dòng)。遺傳信息從存儲(chǔ)的DNA轉(zhuǎn)化為具有各種結(jié)構(gòu)、執(zhí)行各種功能的蛋白質(zhì)的過程，就叫做中心法則。
中心法則其實(shí)是一個(gè)遺傳信息傳遞的過程。在真核細(xì)胞中，該過程共分為三步，分別由RNA聚合酶、剪接體和核糖體執(zhí)行。首先，以DNA為模板，在RNA聚合酶的催化作用下合成前體信使RNA (簡(jiǎn)稱pre-mRNA)，DNA中的遺傳信息于是傳遞到了pre-mRNA，這一步叫做轉(zhuǎn)錄；事實(shí)上，真核細(xì)胞DNA中遺傳信息不是連貫的，是被很多被稱為內(nèi)含子的序列打亂順序的，遺傳信息實(shí)際分布在被稱為外顯子的片段上，而通過轉(zhuǎn)錄，這樣的非常粗糙的“亂序”信息也跟著被傳遞到了pre-mRNA，等待著被篩選破譯，這個(gè)過程就需要剪接體大顯神威。精確地剪掉內(nèi)含子、連接外顯子，生成攜帶有連貫信息的成熟信使RNA，這一步就叫做剪接；隨后，成熟的信使RNA將作為模板，在核糖體的催化作用下合成蛋白質(zhì)。豐富多彩的蛋白質(zhì)執(zhí)行支撐起細(xì)胞活動(dòng)的各種功能。關(guān)于第一步的轉(zhuǎn)錄和第三步的核糖體翻譯，科學(xué)家們已經(jīng)在原子、分子層面上“看清楚”它們是如何進(jìn)行的了，但是中間這一步的剪接究竟是如何完成，在2015年之前，科學(xué)家們主要通過遺傳和生化研究獲得相關(guān)線索和證據(jù)，去推測(cè)去猜想，但在結(jié)構(gòu)和分子機(jī)理上的認(rèn)知并不清楚。
RNA剪接示意圖（圖源：Yan, C., Wan, R., & Shi, Y. (2019). Cold Spring Harbor perspectives in biology, 11(1), a032409.）
通俗來講就是：pre-mRNA這盒通過轉(zhuǎn)錄形成的“磁帶”中間夾雜著很多“噪音”，在播放的時(shí)候，有時(shí)候有聲音，有時(shí)候沒聲音……如果我們將沒有攜帶基因信息的內(nèi)含子比作沒聲音的部分，那么在播放的時(shí)候，聲音就會(huì)時(shí)斷時(shí)續(xù)，基因的信息傳遞也就時(shí)斷時(shí)續(xù)。這時(shí)就需要一位能工巧匠，把磁帶中沒有聲音的部分（內(nèi)含子）剪掉，再把有聲音的部分（外顯子）按照特定的順序連接起來。值得一提的是，外顯子們甚至不是1、2、3 的串聯(lián)，可能需要1、3、2或者2、1、3等不同順序的組合；這樣一條pre-mRNA就可能翻譯出不同的信息，也就是變成不同的成熟信使RNA，合成不同的蛋白質(zhì)。到底內(nèi)含子和外顯子的分界線在哪里、外顯子又要通過什么方式連接，這都需要具備火眼金睛的能工巧匠，這位能工巧匠便是剪接體了。每個(gè)細(xì)胞對(duì)于每一條前體信使RNA的剪接在時(shí)空上是非常精準(zhǔn)的。剪掉誰，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，每一個(gè)“操作”都是可能改變細(xì)胞命運(yùn)的關(guān)鍵問題。一步走錯(cuò)，結(jié)果千差萬別，基因的表達(dá)和傳遞也會(huì)因此出現(xiàn)錯(cuò)誤，于是就導(dǎo)致了人類某些先天遺傳疾病以及后天疑難雜癥的出現(xiàn)。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?/span>。因此，剪接體的研究對(duì)人類健康至關(guān)重要，自1993年RNA剪接的發(fā)現(xiàn)被授予諾貝爾生理及醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)以來，科學(xué)家們一直在探索其中的分子奧秘，期待早日揭示這個(gè)復(fù)雜過程的分子機(jī)理，然而始終未能取得巨大突破。這是由于剪接體作為一個(gè)巨大而又復(fù)雜的動(dòng)態(tài)分子機(jī)器，即便在倍數(shù)很高的電子顯微鏡下也難以清晰地觀詳其一二，因此，生化教科書將剪接體形容為細(xì)胞里最復(fù)雜的超大分子復(fù)合物。剪接體結(jié)構(gòu)解析的難度普遍認(rèn)為高于RNA聚合酶和核糖體，后兩者的結(jié)構(gòu)解析曾分別獲得2006年和2009年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，被稱為世界結(jié)構(gòu)生物學(xué)公認(rèn)的兩大難題之一。所以，解析剪接體這顆分子生物學(xué)皇冠上的明珠，曾經(jīng)成為很多生物學(xué)家的終極夢(mèng)想。經(jīng)過7年的努力，施一公團(tuán)隊(duì)終于在2015年首次解析了裂殖酵母剪接體3.6埃的高分辨率結(jié)構(gòu)，（1埃，即1納米的十分之一；百億分之一米），首次展示了剪接體催化中心近原子分辨率的結(jié)構(gòu)。這一重大研究成果對(duì)RNA剪接機(jī)理的研究產(chǎn)生革命性影響。美國(guó)加州大學(xué)圣地亞哥分校細(xì)胞與分子醫(yī)學(xué)系教授付向東表示，通過對(duì)剪接體近原子分辨率結(jié)構(gòu)的解析，解決了該領(lǐng)域的核心問題，是RNA剪接領(lǐng)域里程碑式的重大突破，也是近30年中國(guó)在基礎(chǔ)生命科學(xué)領(lǐng)域?qū)κ澜缈茖W(xué)的最大貢獻(xiàn)。自2015年第一個(gè)剪接體結(jié)構(gòu)發(fā)表以后，施一公研究組相繼解析了釀酒酵母剪接體復(fù)合物處于8個(gè)不同狀態(tài)的高分辨率結(jié)構(gòu)，這些已解析的剪接體基本覆蓋了整個(gè)RNA剪接循環(huán)，從分子層面揭示了剪接體催化RNA剪接兩步反應(yīng)的工作機(jī)理，同時(shí)為理解剪接體的組裝、激活和解聚等過程的發(fā)生提供了結(jié)構(gòu)依據(jù)。2019年3月，最難捕獲的，對(duì)于理解第一步剪接反應(yīng)的發(fā)生具有至關(guān)重要的作用的B* complex的4個(gè)不同構(gòu)象的高分辨率三維結(jié)構(gòu)也終于被解析。該結(jié)構(gòu)首次揭示了第一步剪接反應(yīng)發(fā)生過程中的動(dòng)態(tài)變化，展現(xiàn)了剪接因子對(duì)于剪接反應(yīng)發(fā)生的重要作用，第一次從結(jié)構(gòu)信息中回答了剪接體對(duì)不同pre-mRNA底物識(shí)別的特異性等重要科學(xué)問題。至此，施一公研究組成為世界上首個(gè)、也是唯一一個(gè)成功捕獲并解析了RNA剪接過程中所有完全組裝剪接體高分辨率三維結(jié)構(gòu)系列成果的團(tuán)隊(duì)。
施一公研究組解析的酵母剪接體結(jié)構(gòu)匯總（圖源：https://ygshi.org/research）
迄今，施一公研究組在酵母中一共解析了10個(gè)不同狀態(tài)的剪接體高分辨的三維結(jié)構(gòu)，從組裝到被激活，從兩步轉(zhuǎn)酯反應(yīng)發(fā)生到剪接體的解聚，這10個(gè)狀態(tài)的剪接體完整覆蓋了剪接通路，首次將剪接體介導(dǎo)的RNA剪接過程完整的串聯(lián)起來，為理解RNA剪接的分子機(jī)理提供了最清晰、最全面的結(jié)構(gòu)信息。本期視頻展現(xiàn)的便是pre-mRNA剪接循環(huán)這一過程。十年磨一劍，10個(gè)不同狀態(tài)的剪接體高分辨的三維結(jié)構(gòu)都已被解析，是不是意味著剪接體的研究可以告一段落了？是不是意味著可以投入臨床應(yīng)用了？當(dāng)然不是！研究的道路還很漫長(zhǎng)。比如，與疾病有關(guān)的剪接體突變體的結(jié)構(gòu)是怎樣的，它們是如何變的異常的，又是如何導(dǎo)致疾病的，剪接體的調(diào)控機(jī)理是怎樣的，它們?cè)诩?xì)胞內(nèi)部的動(dòng)態(tài)組合和變化是怎樣的？等等。這些都是尚需解決的問題。從基礎(chǔ)科學(xué)的研究到臨床應(yīng)用，再到治療疾病，還有一段漫長(zhǎng)的距離。但是，基礎(chǔ)研究的每一項(xiàng)突破都讓我們?cè)谟钪嬷?，在地球上，將我們?nèi)祟惖囊阎吔缦蛲馔卣沽艘徊?，都讓人類在未知世界的探索中往前邁進(jìn)了一步。基礎(chǔ)研究的無限可能，決定了未來有多遠(yuǎn)……科學(xué)顧問：閆創(chuàng)業(yè)、萬蕊雪動(dòng)畫制作：Dan Nowakowski出品方：清華大學(xué)結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心參考資料
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