施一公團隊《細胞》解析酵母ILS狀態剪接體

　　北京時間9月15日凌晨，Cell在線發表了施一公教授課題組題為“Structure of an Intron Lariat Spliceosome from Saccharomyces cerevisiae”的論文，解析了釀酒酵母平均分辨率為3.5A的內含子套索剪接體ILS complex（Intron Lariat Spliceosome）。施一公教授為本文的通訊作者，署名單位為西湖大學、浙江西湖高等研究院，清華大學生命學院博士萬蕊雪、高精尖中心卓越學者閆創業博士、博士生白蕊為該文的共同第一作者。

　　內含子的去除主要是通過兩步轉酯反應來實現的，這兩步化學反應是由剪接體催化完成的。對于每一個內含子來說，為了調控反應的各個基團在適當時機呈現合適的構象從而發揮其活性，剪接體各組分按照高度精確的順序結合和解離，組裝成一系列具有不同構象的分子機器，統稱為剪接體。根據它們在RNA剪接過程中的生化性質，這些剪接體又被區分為E、A、B、Bact、B*、C、C*、P、ILS等若干狀態。

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

　　在這個結構中，第一次觀察到了參與剪接體解聚的4個關鍵蛋以及在剪接體解聚過程中具有重要作用的一個剪接因子。該結構的解析，補充了mRNA剪接后期剪接體解聚的關鍵信息，描述了剪接體完成轉酯反應后、即將解聚前的催化反應活性中心的變化，并從結構生物學的角度提出了兩種可能的剪接體解聚的分子模型。該結構的解析為領域內對剪接體解聚機理長達多年的猜測提供了重要依據。

　　剪接體由五個小核核糖核蛋白（snRNP）、十九號復合物（Nineteen Complex，簡稱NTC）、十九號復合物相關蛋白（NTC Related）和一系列的輔助蛋白所構成,共涉及到100多個蛋白質和至少五條RNA分子。在剪接的過程中，剪接體以前體信使RNA分子為中心，按照高度精確的順序進行逐步組裝并發生大規模結構重組，使之得以完成復雜的剪接任務。剪接是真核細胞進行正常生命活動不可或缺的核心環節，因此具有重大的生物學意義，獲取剪接體在組裝、激活、催化反應過程中各個狀態的結構是最基礎也是最富挑戰性的結構生物學難題之一（2014年初Nature發表了一篇評論文章回顧晶體學一百年，將剪接體和核孔復合物結構視為今后最希望解析的蛋白復合物）。

　　2015年8月至今，施一公教授研究組共報道了剪接反應中5個關鍵狀態剪接體復合物的高分辨率結構，分別是3.8埃的預組裝復合物tri-snRNP、3.5埃的激活狀態復合物Bact complex、3.4埃的第一步催化反應后復合物C complex、4.0埃的第二步催化激活狀態下的C* complex以及3.6埃的內含子套索剪接體ILS complex。這5個高分辨率結構所代表的剪接體狀態，基本覆蓋了整個剪接通路中關鍵的催化步驟，提供了迄今為止最為清晰的剪接體不同工作狀態下的結構信息，大大推動了RNA剪接研究領域的發展。2017年5月份施一公教授課題組還首席解析了人源剪切體的工作狀態（3.76A第二步催化激活狀態下的人源C* complex），闡釋了人源剪切體催化第二步轉酯反應的功能機理（詳見BioArt此前的報道：施一公組首次報道人源剪切體原子分辨率結構）。

　　內含子套索剪接體ILS complex的解體標志著剪接循環的結束，早在2015年8月，施一公教授課題組就解析了裂殖酵母（S. pombe）3.6埃的內含子套索剪接體ILS complex。而最新的這項研究表明，釀酒酵母和裂殖酵母的ILS complex在整體構象和蛋白組成成分以及RNA都具有很高的相似性。

　　釀酒酵母而非裂殖酵母的ILS complex包含三個Ntr復合物成分：ATPase/解旋酶Prp43、Ntr1/Spp382以及Ntr2，此外還包含剪接因子Cwc23.。而裂殖酵母包含四個蛋白：Cwf11、Cwf19、Cwf17以及Cyp1。除了Cwf19，其它三個蛋白在釀酒酵母中沒有對應的同源蛋白。

　　在釀酒酵母ILS complex的中心，Prp8、 Snu114、三個十九號復合體（NTC）蛋白（Cef1、 Clf1、 Syf2）以及6個NTC相關（NTR）成分（Cwc2、Cwc15、Bud31、Ecm2、 Prp45、 Prp46）與處于激活位點的RNA相互作用，C* complex具有一定的相似性。該結構對于認識ILS complex的解離方式提供了更合理的機制。