【科技前沿】施一公等揭示剪接體核酶活性中心有序摺疊的機制和...

RNA剪接是高等真核生物基因表達所必須的一步，由剪接體催化完成。雖然剪接反應的化學本質僅為兩步轉酯反應，但是由於需要保證翻譯時可讀框的準確，剪接產物必須保證單鹼基的精確性。為了完成這一任務，從剪接位點的識別開始，剪接體要經歷一系列中間狀態的轉換，目前已鑑定出了E、A、pre-B、B、Bact、B*、C、C*、P和ILS complex十個中間狀態（下圖）。在這一系列狀態轉換過程中，剪接體的蛋白和snRNA組成及結構都發生了巨大變化，轉酯反應的催化活性中心也在這一過程中逐步形成【1-3】。

圖片來源：Wan R, et al, Annu Rev Biochem, 2020

剪接體是一種核酶，特定摺疊的U6 snRNA催化轉酯反應【4】。雖然剪接體Bact complex的電鏡結構揭示了活性中心U6 snRNA的摺疊結構【5-7】，但它是如何正確摺疊形成的、以及後續狀態轉換的動力機制細節，目前並不清楚。

2020年11月27日，德國馬普研究所Reinhard Lührmann教授團隊和西湖大學施一公教授團隊發表在Science上的兩項工作，分別解析了剪接體pre-Bact complex和包含Prp2和Spp2的Bact complex的電鏡結構，從而回答了這兩個問題。

Reinhard Lührmann教授團隊的工作Mechanism of protein-guided folding of the active site U2/U6 RNA during spliceosome activation，通過使用一種新的抑制劑將人剪接體阻滯到了B complex和Bact complex間的一個新的狀態，pre-Bact complex。電鏡結構解析得到了兩個pre-Bact complex的結構，為B complex轉變到Bact complex間的兩個連續中間體，從而能夠從蛋白組成、新加入蛋白的結合部位以及snRNA結構的變化，直觀推斷出剪接體的蛋白組分如何幫助U6 snRNA正確、有序的摺疊成剪接活性中心（下圖）。

在這一過程中，RNA解旋酶Brr2剝離U4 snRNA提供早期動力，Prp8起核心支撐錨定作用，Prp8構型的變化伴隨著其它蛋白的有序加入和離開，幫助U6 snRNA摺疊成正確的活性中心結構（下圖）。

施一公教授團隊的工作Mechanism of spliceosome remodeling by the ATPase/helicase Prp2 and its coactivator Spp2，通過使用新的阻滯方法得到了大量Bact complex，從而獲得了高解析度的釀酒酵母剪接體Bact complex的電鏡結構。在這一新的結構中觀察到了以前未在結構研究中觀察到的RNA解旋酶/ATP酶Prp2、其激活因子G-patch蛋白Spp2及與Prp2結合的底物pre-mRNA。從而結合生化實驗，闡明了剪接體Bact complex重塑的發動機Prp2如何被募集到剪接體上、Spp2如何穩定Prp2以及Prp2為何具有使底物pre-mRNA向其3』端單向移動的方向性等關鍵科學問題（下圖）。

近些年結構生物學的進步極大推動了剪接體反應機制的研究，從早年依靠遺傳、生化實驗進行推斷到現在能夠直觀的從結構上進行觀察闡釋。但是由於剪接體高度的動態性以及剪接位點較低的一致性，尤其在哺乳動物中，還有許多機制細節有待闡明，需要更多高解析度的結構研究來進一步完善。

原文連結：

https://science.sciencemag.org/lookup/doi/10.1126/science.abc3753

https://science.sciencemag.org/lookup/doi/10.1126/science.abe8863

參考文獻

1. Wan, R., Bai, R., Zhan, X. & Shi, Y. How Is Precursor Messenger RNA Spliced by the Spliceosome? Annual review of biochemistry 89, 333-358, doi:10.1146/annurev-biochem-013118-111024 (2020).

2. Wilkinson, M. E., Charenton, C. & Nagai, K. RNA Splicing by the Spliceosome. Annual review of biochemistry 89, 359-388, doi:10.1146/annurev-biochem-091719-064225 (2020).

3. Kastner, B., Will, C. L., Stark, H. & Lührmann, R. Structural Insights into Nuclear pre-mRNA Splicing in Higher Eukaryotes. Cold Spring Harbor perspectives in biology 11, doi:10.1101/cshperspect.a032417 (2019).

4. Fica, S. M. et al. RNA catalyses nuclear pre-mRNA splicing. Nature 503, 229-234, doi:10.1038/nature12734 (2013).

5. Yan, C., Wan, R., Bai, R., Huang, G. & Shi, Y. Structure of a yeast activated spliceosome at 3.5 Å resolution. Science (New York, N.Y.) 353, 904-911, doi:10.1126/science.aag0291 (2016).

6. Zhang, X. et al. Structure of the human activated spliceosome in three conformational states. Cell research 28, 307-322, doi:10.1038/cr.2018.14 (2018).

7. Haselbach, D. et al. Structure and Conformational Dynamics of the Human Spliceosomal B(act) Complex. Cell 172, 454-464.e411, doi:10.1016/j.cell.2018.01.010 (2018).

本文轉載自公眾號「BioArt」（BioGossip）

中國生物物理學會官方訂閱號，為BSC會員及生物物理領域專業人士服務。

投稿及授權請聯繫：[e-mail]。

微信號：BSC-1979

喜歡此內容的人還喜歡

原標題：《【科技前沿】施一公等揭示剪接體核酶活性中心有序摺疊的機制和後續重塑的動力機制》

閱讀原文