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施一公团队解析酵母ILS状态剪接体

作者:施一公

2017年9月15日,国际权威杂志《Cell》在线发表了施一公教授团队题为“Structure of an Intron Lariat Spliceosome from Saccharomyces cerevisiae”的论文,中文题目:酿酒酵母内含子套索剪接体的结构,解析了酿酒酵母平均分辨率为3.5A的内含子套索剪接体ILS complex(Intron Lariat Spliceosome)。



酿酒酵母内含子套索剪接体的结构


内含子的去除主要是通过两步转酯反应来实现的,这两步化学反应是由剪接体催化完成的(下图a)。对于每一个内含子来说,为了调控反应的各个基团在适当时机呈现合适的构象从而发挥其活性,剪接体各组分按照高度精确的顺序结合和解离,组装成一系列具有不同构象的分子机器,统称为剪接体。根据它们在RNA剪接过程中的生化性质,这些剪接体又被区分为E、A、B、Bact、B*、C、C*、P、ILS等若干状态(下图b


酿酒酵母内含子套索剪接体催化过程

图片引自:Shi, Y. (2017). The Spliceosome: A Protein-Directed Metalloribozyme. Journal of Molecular Biology, 429(17), 2640-2653.


剪接体由五个小核核糖核蛋白(snRNP)、十九号复合物(Nineteen Complex,简称NTC)、十九号复合物相关蛋白(NTC Related)和一系列的辅助蛋白所构成,共涉及到100多个蛋白质和至少五条RNA分子。在剪接的过程中,剪接体以前体信使RNA分子为中心,按照高度精确的顺序进行逐步组装并发生大规模结构重组,使之得以完成复杂的剪接任务。剪接是真核细胞进行正常生命活动不可或缺的核心环节,因此具有重大的生物学意义,获取剪接体在组装、激活、催化反应过程中各个状态的结构是最基础也是最富挑战性的结构生物学难题之一(2014年初Nature发表了一篇评论文章回顾晶体学一百年,将剪接体和核孔复合物结构视为今后最希望解析的蛋白复合物)。


2015年8月至今,施一公教授研究组共报道了剪接反应中5个关键状态剪接体复合物的高分辨率结构,分别是3.8埃的预组装复合物tri-snRNP、3.5埃的激活状态复合物Bact complex、3.4埃的**步催化反应后复合物C complex、4.0埃的第二步催化激活状态下的C* complex以及3.6埃的内含子套索剪接体ILS complex。这5个高分辨率结构所代表的剪接体状态,基本覆盖了整个剪接通路中关键的催化步骤,提供了迄今为止最为清晰的剪接体不同工作状态下的结构信息,大大推动了RNA剪接研究领域的发展。2017年5月份施一公教授课题组还首席解析了人源剪切体的工作状态(3.76A第二步催化激活状态下的人源C* complex),阐释了人源剪切体催化第二步转酯反应的功能机理(详见BioArt此前的报道:施一公组首次报道人源剪切体原子分辨率结构)。


内含子套索剪接体ILS complex的解体标志着剪接循环的结束,早在2015年8月,施一公教授课题组就解析了裂殖酵母(S. pombe)3.6埃的内含子套索剪接体ILS complex。而最新的这项研究表明,酿酒酵母和裂殖酵母的ILS complex在整体构象和蛋白组成成分以及RNA都具有很高的相似性(下图)。



酿酒酵母而非裂殖酵母的ILS complex包含三个Ntr复合物成分:ATPase/解旋酶Prp43、Ntr1/Spp382以及Ntr2,此外还包含剪接因子Cwc23.。而裂殖酵母包含四个蛋白:Cwf11、 Cwf19、Cwf17以及Cyp1。除了Cwf19,其它三个蛋白在酿酒酵母中没有对应的同源蛋白。


在酿酒酵母ILS complex的中心,Prp8、 Snu114、三个十九号复合体(NTC)蛋白(Cef1、 Clf1、 Syf2)以及6个NTC相关(NTR)成分(Cwc2、Cwc15、Bud31、Ecm2、 Prp45、 Prp46)与处于激活位点的RNA相互作用,C* complex具有一定的相似性(下图)。该结构对于认识ILS complex的解离方式提供了更合理的机制。



据悉,施一公教授为本文的通讯作者,清华大学生命学院博士万蕊雪、高精尖中心**学者闫创业博士、博士生闫创业为该文的共同**作者。值得一提的是西湖大学、西湖高等研究院出现了在了署名单位中。


最后,祝贺施一公教授日前获得未来科学大奖生命科学奖!


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文章分类: 科技最前线
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