為理解剪接體激活重塑的分子機理提供了迄今最清晰的結構信息
西湖大學生命科學學院施一公教授研究組就剪接體的機理與結構研究於《科學》雜誌以長文形式再次發表研究成果。這篇題為《ATP水解酶/解旋酶Prp2及其激活因子Spp2催化剪接體激活過程中結構重塑的分子機理》的論文報導了釀酒酵母處於激活狀態的剪接體2.5埃的高解析度電鏡結構。該結構是目前報導的最高解析度的剪接體結構，首次展示了剪接體狀態轉變過程中的「動力驅動」蛋白——ATP水解酶/解旋酶Prp2及其激活因子Spp2催化其重塑的結構基礎，為理解剪接體激活重塑的分子機理提供了迄今最清晰的結構信息。
每種生物的行為、語言、思考等一切生命活動都是由基因所控制。1977年，科學家們首次發現遺傳信息從DNA傳遞到mRNA上並不只是通過轉錄，還需要pre-mRNA剪接來進一步完成「無效」遺傳信息的去除與有效遺傳信息的拼接。不能被翻譯的「無效」RNA片段被稱為內含子，而可以被核糖體翻譯的RNA片段叫做外顯子，內含子被去除、外顯子被連接這一過程即為RNA剪接。RNA剪接普遍存在於真核生物中，隨著物種的進化，含有內含子的基因數量增加，發生RNA剪接的頻率也相應增高，使得一個基因編碼多個蛋白質成為可能，極大的豐富了蛋白質組的多樣性，也是真核生物多樣性的重要原因之一。
RNA剪接是真核生物基因表達調控的重要環節之一，其化學本質是兩步轉酯反應。這種看似簡單的化學反應在細胞中難以自行發生，而負責執行這一化學反應的是細胞核內一個巨大且高度動態變化的分子機器——剪接體。在RNA剪接反應過程中，多種蛋白-核酸複合物及剪接因子按照高度精確的順序發生結合、重排和解聚，依次形成預組裝複合物以及至少10個狀態的剪接體複合物。剪接體每種狀態的轉變，都需要動力驅動蛋白——ATPase/helicase對剪接體的結構重塑進行嚴格的調控，它們在催化剪接體構象的改變、控制RNA剪接的進程、對RNA進行檢驗和校對等過程中有著極其關鍵的作用，被譽為RNA剪接的「分子時鐘」。
2015年，施一公研究組在世界上首次報導了裂殖酵母剪接體3.6埃的高解析度結構，首次展示了剪接體催化中心近原子解析度的結構；此後，又相繼解析了釀酒酵母剪接體複合物全部已被鑑定的9個不同狀態的高解析度結構。這些已解析的剪接體覆蓋了RNA剪接循環，從分子層面揭示了剪接體催化RNA剪接兩步反應的工作機理，同時為理解剪接體的組裝、激活和解聚等過程的發生提供結構依據。但在這些剪接體結構中，「動力驅動」蛋白ATPase/helicase均處於剪接體的邊緣，它們的構象極不穩定，因此無法揭示「分子時鐘」精確的原子模型。如何闡述剪接體重塑蛋白控制剪接體狀態轉變的分子機理，一直是領域內的核心難題之一。
在最新發表的這篇文章中，該研究組利用單顆粒冷凍電鏡技術重構出了整體解析度為2.5埃的Bactcomplex冷凍電鏡結構，其中，處於剪接體邊緣的結構重塑蛋白ATPase/helicasePrp2與其激活因子Spp2的解析度高達3.2埃，並搭建了原子模型。在如此高的解析度下，該文解析的Bactcomplex結構首次觀察到了剪接體核心區域中的水分子通過氫鍵參與關鍵剪接位點的識別、以及與金屬離子的配位結合。令人驚喜的是，該結構展示了激活因子Spp2通過四個關鍵的錨定位點，將Prp2固定到剪接體上。Spp2對於Prp2激活剪接體、催化剪接體結構重塑的重要作用也被基於結構設計的大量生化實驗驗證。
該文另一亮點是通過分析Prp2結合前體信使RNA的相互作用界面，並結合體外剪接反應等生化實驗、以及所解析的3個不同狀態的Prp2電鏡結構，第一次揭示了Prp2作為ATPase/helicase在單鏈RNA上單向移動的分子機理。
西湖大學生命科學學院施一公教授、西湖大學生命科學學院西湖學者萬蕊雪博士為本文的共同通訊作者；西湖大學生命科學學院博士後白蕊、西湖學者萬蕊雪和清華大學生命科學學院助理教授閆創業為該文的共同第一作者。
（光明日報全媒體記者鄧暉）
[ 責編：張悅鑫 ]