NC：施一公院士团队剪接体领域再添重磅成果！首次发现 RNA 解旋酶新作用

2015 年，历经数代科研人员艰苦卓绝的努力，剪接体以原子分辨率的完整结构问世，从此揭开了剪接体的神秘面纱。即剪接体是一个巨大且高度动态的分子机器，其核心组成元件为 5 种核内小核糖核蛋白复合物（snRNP），分别为 U1，U2，U4，U5 和 U6 snRNP。

2019 年 12 月 9 日，施一公院士团队（万蕊雪一作，目前在西湖大学生命科学学院担任特聘研究员、博士生导师）在 Annual Review of  Biochemistry 杂志发表重磅综述：How Is Precursor Messenger RNA Spliced by the Spliceosome? ，该综述系统全面地介绍了剪切体如何剪切前体 RNA 的过程，前瞻性地提出有关剪切体研究的一些问题和未来发展的方向。

2024 年 1 月 9 日，施一公院士团队在 Nature Structural and Molecular Biology 杂志发表研究论文：Structural Insights into Branch Site Proofreading by Human Spliceosome，首次报道了人源 17S U2 snRNP 复合物和剪接体 pre-A 复合物的高分辨率结构，结合生化和功能实验，揭示了剪接体进行分支位点选择、校正的分子机理。

时隔半年，2024 年 7 月 27 日，西湖大学施一公及其团队副研究员占谢超在 Nature Communications 杂志发表研究论文 Molecular basis for the activation of human spliceosome，该研究利用冷冻电镜技术捕获了催化前剪接体 (B 复合体) 和催化活化剪接体 (B* 复合体) 之间的六种中间状态：pre-B^act, B^act-I, B^act-II, B^act-III, B^act-IV 及 post-B^act，它们在 B 和 B* 配合物之间架起了关键的桥梁，分辨率分辨高达 3.4 Å, 3.0 Å, 4.2 Å, 3.0 Å, 3.3 Å, 3.0 Å，并重新确定了人类 C 复合物冷冻电镜结构（3.4 Å），首次揭示了 PRP2 在剪接体激活中的关键作用，概括了人类剪接体在其催化活化过程中的分子编排，为深入探索剪接体的细节和功能信息开辟了新思路。

图1 来源：Nature Communications

1. 人类 B^act 复合物六种不同构象状态的冷冻电镜结构

人类的 B^act 复合体被认为是高度动态的，那么如何深入理解剪接体的活化机理呢？为了解决该问题，研究团队需要获取对剪接体活化及其相关中间状态的详细结构信息。该团队克服巨大的技术障碍，从 17,070 张显微照片中，选择了约 460 万个冷冻电镜颗粒应用于复合物三维结构重建，捕获了催化前剪接体 (B 复合体) 和催化活化剪接体 (B* 复合体) 之间的六种中间状态：pre-B^act, B^act-I, B^act-II, B^act-III, B^act-IV 及 post-B^act，再次优化了人类 C 复合物冷冻电镜结构，它们的分辨率高达 3.4 Å, 3.0 Å, 4.2 Å, 3.0 Å, 3.3 Å, 3.0 Å, 和 3.4 Å，其核心区域的局部分辨率大多能达到 2.8-3.2Å，能够清晰识别蛋白质组分和 RNA 元件。

图2 来源：Nature Communications

结构分析显示，在 B^act-I 中，PRP2 与若干剪接因子共同被加载。因此，Bact 复合物的六种不同构象代表了 B 复合物和 B* 复合物之间的中间状态。以 pre-B^act 为例，U6ISL 和 U2/U6 双链的螺旋结构 Ib 和 II 已初步形成，但 Ia 尚未形成。其中，分支位点（BS）距 5′SS 约 60 Å。5′ 外显子仍然固定在 U5 snRNA 的拓扑环 I 上。

与 B^act-I 相比，B^act-II 中的 U2 snRNA 发生了明显的转位，螺旋 II 略有位移。与 B^act-II 相比，B^act-III 中的 U2 snRNA 部分继续位移。在 B^act-III 向 B^act-IV 的过渡中，螺旋 II 移动到 C 复合物中。U2 snRNA 的这些变化都伴随着特定蛋白质组分的变化。

图3 来源：Nature Communications

2. PRP2 在剪接体激活过程中的关键作用

以往研究显示，剪接体激活是由 BRR211-13 解旋酶触发的，目前已出现令人信服的新证据表明，另一个 RNA 解旋酶 PRP2 也扮演着关键角色。PRP2 在剪接体激活过程中承担怎样的作用呢？

研究结果显示，PRP2 在 pre-B^act 中不存在，并在 B^act-I 的外围区域被招募，与 SF3B1 的 N 端区域松散接触。且从 PRP2 的 N 端延伸部分的螺旋结构与 PRP8、PPIL4、SKIP 的 C 端和 pre-mRNA 相互作用。

此外，PRP2 中的三个残基（Arg503、Leu709 和 Arg998）与 B^act-II 中 多嘧啶序列（PPT）的碱基具有密切的相互作用，可能会阻止 pre-mRNA 向其 5′ 端反向滑动。值得注意的是，从酵母到人类的四种 PRP2 错义变体（R503A、T674M、L709A 和 R998A）均显示出剪接水平的降低。

图4 来源：Nature Communications

3. 剪接体激活过程中的成分变化及 U2 snRNP 的重排

那么，剪接体激活过程中成分是否会发生变化？U2 snRNP 如何经历显著的运动以促进激活呢？为回答上述问题，研究团队通过 B^act 复合物的六种不同构象，揭示了在人类剪接体激活过程中发生的逐步组成变化。在 B^act-I 到 B^act-II 的转变过程中，SRRM1、SF3B6 和 RES 复合物被释放。在 B^act-III 到 B^act-IV 的转变过程中，PPIL2 和 SF3a 组分 SF3A1/SF3A2 被释放，RNF113A 和 SF3a 复合体在 post-B^act 中完全不存在。

与此同时，研究结果显示人类剪接体的激活涉及 U2 snRNP 位置和构象的重大变化，U2 snRNP 由 U2snRNA、SF3a 复合体、SF3b 复合体 和 U2snRNP 核心（U2-A′、U2-B″ 和 U2Sm 环）组成。其中，在 B*/C 复合物中，SF3b 复合体完全解离，U2 snRNP 核心区域发生了明显的位移。总之，这些结果揭示了剪接体组分和构象重排的有序通量，这些重排有助于组织催化中心。

图5 来源：Nature Communications

研究总结与展望

众所周知，由于剪接体高度的动态性和复杂性，获得不同状态的剪接体的高分辨率三维结构一直被公认为世界难题。该研究首次发现了 PRP2 在人类剪接体活化过程中发挥的一种以前未曾认识到的关键作用，再现了人类剪接体在催化活化过程中的分子编排，为深入理解剪接体相关的分子机理提供了重要的信息！

通讯作者简介：（上下滑动查阅）

施一公，1985 年保送进入清华大学生物科学与技术系，1989 年提前一年毕业，获学士学位；1995 年获美国约翰霍普金斯大学医学院分子生物物理博士学位，随后在美国纪念斯隆-凯特琳癌症中心进行博士后研究；1998—2008 年历任美国普林斯顿大学分子生物学系助理教授、副教授、教授、Warner-Lambert/Parke-Davis 讲席教授。2008 年全职回到清华大学工作，曾任清华大学副校长、生命科学与医学研究院院长。2018 年至今，担任西湖大学讲席教授、校长。主要运用生化和生物物理的手段研究细胞凋亡的分子机制、重要膜蛋白以及细胞内生物大分子机器的结构与功能。解析了真核信使 RNA 剪接体关键复合物结构，揭示了活性部位及分子层面机理。

曾获舍尔学者基金会颁发的舍尔学者奖（Searle Scholar）及雷拓爱伦基金会颁发的雷拓爱伦学者奖（Rita Allen Scholar），2003 年「鄂文西格青年科学家奖」（The Irving Sigal Young Investigator Award）、2010 年国际赛克勒生物物理学奖（The Raymond & Beverly Sackler International Prize in Biophysics）、2010 年香港求是基金会杰出科学家奖、2010 年谈家祯生命科学终身成就奖、2014 年度瑞典皇家科学院爱明诺夫奖（Gregori Aminoff Prize）、2014 年「吴阶平-保罗 • 杨森医学药学奖」、2015-2016 影响世界华人大奖、2016 年何梁何利科学技术成就奖、2017 年全国创新争先奖章、2017 年未来科学大奖「生命科学奖」、2017 年中源协和生命医学奖成就奖，2020 年陈嘉庚科学奖。2008 年获国家杰出青年科学基金资助，2013 年 5 月入选欧洲分子生物学组织（EMBO）外籍成员，2013 年先后当选为美国艺术与科学学院院士、美国国家科学院外籍院士、中国科学院院士。

占谢超，西湖大学生命科学学院副研究员（施一公团队），本科毕业于中国科学院大学，博士毕业于清华大学，师从施一公教授，代表性工作为细胞内生物大分子的结构生物学研究，如人源剪接体、核孔复合物等，以第一作者和共同通讯作者身份在 Cell Res、Mol Cell、Science、Nature Structural and Molecular Biology、Nature Communications 等高水平期刊发表研究论文十余篇。

文章链接：

Wan R, Bai R, Zhan X, Shi Y. How Is Precursor Messenger RNA Spliced by the Spliceosome?. Annu Rev Biochem. 2020;89:333-358. doi:10.1146/annurev-biochem-013118-111024

Zhang X, Zhan X, Bian T, et al. Structural insights into branch site proofreading by human spliceosome. Nat Struct Mol Biol. 2024;31(5):835-845. doi:10.1038/s41594-023-01188-0

Zhan X, Lu Y, Shi Y. Molecular basis for the activation of human spliceosome. Nat Commun. 2024;15(1):6348. Published 2024 Jul 27. doi:10.1038/s41467-024-50785-0

图片来源：图虫创意

来源：丁香学术

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