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施一公等报道酿酒酵母剪接体处于完成RNA剪接后

发布时间:2017-12-03 阅读:

  石义功等报道酿酒酵母在高分辨电子显微镜结构构象后剪接完成RNA拼接_科学网

  2017年11月17日,清华大学生命科学教授石义功教授和“结构生物学先进中心”在Cell杂志上发表了关于剪接体结构和机制的最新研究成果。题为“来自酿酒酵母的后催化剪接体的结构”的文章报道了酿酒酵母剪接体在完成RNA剪接反应之后呈现状态(被定义为P-复合物)。具有分辨率的三维结构第一次显示在前体mRNA中的3剪接位点的识别状态,以响应在RNA剪接反应期间如何识别前体mRNA中的3剪接位点。第二步酯反应发生,成熟的mRNAs如何释放,其他关键问题提供了重要的结构信息。

  1977年,科学家第一次发现腺病毒的mRNA不能与相应的DNA转录模板形成连续的杂交双链DNA。相反,环状DNA单链链在杂交双链DNA的不同位置延伸。这一主要发现表明,遗传信息从DNA到mRNA的转移不需要单独转录,而是通过前体mRNA剪接来进一步消除无效遗传信息和高效遗传信息的剪接。无效的遗传信息不具有翻译功能,称为内含子,但有效的遗传信息可以被称为外显子的核糖体翻译,内含子被去除,外显子连接这个过程是RNA剪接。 RNA剪接在真核生物中广泛存在。随着物种的进化,含内含子的基因数量增加,RNA剪接的频率也相应增加,使得一个基因可能编码多种蛋白质,极大地丰富蛋白质组的多样性,而真核多样性也是其中一个重要的原因。

  RNA剪接是真核生物中基因表达调控中最重要的步骤之一。负责实施这个过程的过程是一个巨大的,高度动态的核分子机器剪接体。从1977年首次发现RNA剪接到本世纪初,科学家们最初通过免疫沉淀,基因敲除,交联质谱和建立体外剪接反应等手段建立了剪接体的装配和解聚过程系统蛋白质和蛋白质,蛋白质和核酸的相互作用,相互调节和其他复杂的RNA剪接调控网络。 RNA拼接的本质是两步酯交换。在剪接反应过程中,许多蛋白质 - 核酸复合物和剪接因子以高度精确的顺序组合和解聚以形成预组装的复合物U4 / U6.U5 Tri-snRNP(U4 / U6.U5三核核糖核蛋白复合物)和在至少七种状态下剪接B,Bact,B *,C,C *,P和ILS复合物(图3)。

  图1 RNA拼接示意图

  (来源:Shi Y. Nature Reviews Molecular Cell Biology,2017。)

  但由于核酸数量多,分子量大,剪接体的各种动态结构等原因,该领域的研究进展相对缓慢。获得剪接体的高分辨率三维结构是世界公认的问题。 2015年,史毅功研究小组首次率先突破世界,报道了拼接酵母原生质球的3.6微米高分辨率结构,首次揭示了原子分辨结构这一重大研究成果为RNA剪接机制的研究带来了革命性的变化,自2015年第一个剪接体结构发表以来,研究组先后解决了5种不同剪接体复合物的高分辨率结构,即U4 / U6U5 Tri-snRNP,3.5埃复合Bact复合物,3.4埃第一催化复合物C复合物,4.0埃第二催化活化剂C *复合物和3.5埃内含子的预组装的复合物,其中所述复合物为3.8埃的酿酒酵母套索剪接体ILS复合物。这些解决的剪接体基本上覆盖了整个RNA剪接循环,从分子水平解释了剪接体如何组装,它们是如何被激活的,第一步如何发生酯交换,以及在RNA剪接完成机制之后剪接体是如何解聚的。但在第二步中,如何调节和发生酯交换,我们需要捕获最重要的剪接体后催化剪接体P复合体之一。

  与已被解析为多个状态的剪接体不同,P复合体在正常生理学中更具动态性和瞬态性,并且难以捕获。在他最新的论文The Cell中,Shi-Gong团队通过在酿酒酵母中表达失活的关键蛋白突变体获得了剪接体释放成熟的mRNA的能力,进一步探索和优化了蛋白质纯化方案,这是一种稳定,行为良好的磷复合物样品。随后,使用单粒子冷冻电镜技术来重建总分辨率为3.6埃的高分辨率冷冻电镜结构,并建立了原子模型(图2)。该结构首次显示了在完成RNA拼接两步酯交换反应以及内部蛋白质和核酸组分的组装之后剪接体的总体结构,其中最初由内含子分离的两个外显子具有被共价连接形成成熟的mRNA并被锚定在剪接体反应中心的U5 snRNA识别。值得注意的是,首次在这个结构中首先观察到前mRNA中的3剪接位点AG与剪接位点A和5处的第一个核苷酸G通过非经典碱基配对组合在一起,这些两个核苷酸AG通过在5个剪接位点处的G和U6snRNA的基础堆迭力进一步锚定。因此,该结构分析首次显示了重要的结构信息,如识别的3剪接位点和参与成熟mRNA释放的关键蛋白Prp22。这就是第二次酯交换反应在该领域中确定的3-剪接位点。多年的猜测和论证提供了最有效的结构证据。

  图2酿酒酵母催化剪接的三维结构

  清华大学史义功教授一直致力于在RNA拼接过程中不同的动态变化下捕获拼接结构,从而从分子水平上阐明RNA拼接的工作机制。到目前为止,史义功的研究小组已经从酵母中总共分析了七个高分辨率的剪接体三维结构(图3),从预组装到活化,从两步酯交换反应到剪接体分解:七种剪接体基本上覆盖了整个剪接途径,首次将剪接体介导的RNA剪接过程串联起来,为理解RNA剪接的分子机制提供了最清晰,最全面的结构信息。对于他在RNA拼接领域的重要贡献,石义功教授最近获得了未来科学生命科学奖。

  图3石功研究组对酵母菌拼接体结构的分析总结

  (来源:实验室)

  清华大学生命科学与结构生物学院高新技术创新中心史义功教授通讯作者;清华大学生命科学研究院博士候选人,白瑞,生命学院博士后研究员,高级结构生物学中心,博士5年级博士候选人在医学科学是共同作者的文章。清华大学低温电子显微镜平台的雷建林博士帮助收集了Cryo-EM的数据。电子显微镜数据采集于清华大学低温显微镜平台上,计算工作由清华大学高性能计算平台,国家蛋白质基础实验技术中心(北京)资助。这项工作得到了北京结构生物学先进中心和国家自然科学基金委的资助。

  原始链接:

  http://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(17)31264-3

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