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万蕊雪/施一公等再发Science开辟新「地图​」,这几个领域将直接受益

丁香学术

作者|Eli   来源|丁香学术(ID:dingxiangshiyan)

这已经是两个月内西湖大学施一公教授继一篇 Cell、一篇 Science 后的第三篇顶刊文章了!

消息灵通的读者可能已经获悉,施一公教授这篇文章首次解析了人源次要剪接体激活状态下的原子结构。

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图片来源:Science

说实话,每次看到大佬们在 CNS 发表结构生物学的文章都会又兴奋,又有那么一点点酸...

看热闹自然好,如果能直接对我们的研究有启发,直接应用在药物靶点开发、疾病治疗等等领域就完美了!

接下来,丁香学术将为大家分析下,万蕊雪 / 施一公教授此次的研究成果会让哪些研究直接收益。

什么是剪接体?

Pre-mRNA(前体 RNA)剪接是真核生物基因表达的关键环节,是去除非编码的内含子序列的重要步骤。

每个人体细胞中包含约 10 万个剪接体,负责去除超过 20 万种不同的内含子序列。人体中的剪接体有 2 种,99.5% 的内含子去除由主要剪接体完成(major spliceosome),而次要剪接体(minor spliceosome)则处理剩余的 0.5%。[1]

很多剪接体蛋白都具有特异性的 RNA 识别活性,与小核 RNAs(small nuclear RNAs,snRNAs)他们结合形成 snRNPs(又叫 snurps)。

剪接体根据结合的 snRNA 不同来分别命名,主要剪接体有 U1,U2,U4,U6,U5 等组装而成(U2 为主),次要剪接体有 U11,U12,U4atac,U5,U6atac 等(U12 为主)(U 表示 uridine-rich RNA,根据最初在哺乳动物中发现时的丰度顺序排序)[2]。

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图片来源:Science Direct [1]

次要剪接体(U12)相对应的 U12 内含子是一类高度保守的 5’剪接位点(5'SS,splice site)和分支位点序列(BPS, Branch point sequences),同时又缺少像主要剪接体那样的特征性多聚嘧啶序列(PPT,polypyrimidine tract)。[1]

 RNA 剪接体缺陷是导致人类疾病的重要原因之一,据估计可能超过 60% 的疾病与 Pre-mRNA 剪接有关。 [3,4]

次要剪接体与疾病

U12 内含子仅占全部人源内含子的约 0.35%,目前已报道的越有 700-800 个基因,通常由一个 U12 内含子和多个 U2 内含子构成。目前发现的 U12 内含子基因在下面这些通路中富集,包括 DNA 复制和修复、转录、RNA 处理和翻译,但也可以在与细胞骨架组织、囊泡运输和电压门控离子通道活性相关的基因等。[5,6,7]

据资料显示,已发现至少 5 种疾病与次要剪接体突变相关。如下图所示:具有 U12 内含子剪接缺陷的人类疾病。[1]

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具有 U12 内含子剪接缺陷的人类疾病

图片来源:Science Direct [1]

其中 3 种疾病影响 U11/U12 di-snRNP 的组成部分,即 U11/U12- 65k 蛋白 (RNPC3; U12 snRNA 和 Urp 蛋白等,包括单纯性生长激素缺乏症、早发性小脑共济失调、骨髓发育异常综合征等。

而有两种疾病归因于 U4atac snRNA 的突变 (RNU4ATAC),即小头畸形性骨质增生异常的原发性侏儒症和 Roifman 综合征。

值得注意的是,这些疾病都是隐性的,只会导致小剪接体功能的部分丧失,因为在患者细胞中可以检测到正确剪接的 mRNA。

此外,U12 内含子 5’ss 突变以及剪接体合成组装中相关基因的突变也被发现与骨骺发育不良、ALS(渐冻症)、SMA(脊髓性肌萎缩症)等疾病相关。

近年来,也逐渐有报道发现次要剪接体在癌症、自身免疫疾病和神经退行性疾病中有着重要的影响。

此前的研究多关联分析以及相关生物学试验验证发现突变位点与疾病的相关性,由于缺乏对于次要剪接体的结构的认识,很多研究有很大的局限性,也难以推进临床靶向药物的研发。

而今日施一公教授课题组的研究成果则是这一领域的一个里程碑式的成果,在上面这几个领域将有直接的推动作用。

首次解析次要剪接体激活状态下的结构

2021 年 1 月 29 日凌晨, 西湖大学施一公、万蕊雪团队在 Science 在线发表研究论文 Structure of the activated human minor spliceosome,利用单颗粒冷冻电镜技术重构出了世界上首个次要剪接体的冷冻电镜结构,整体分辨率高达 2.9 埃,并搭建了第一个次要剪接体的原子模型,其中包含了 4 条 RNA 和 45 个蛋白。[8]

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图片来源:Science

这项研究首次从原子分辨率展示了人源次要剪接体的组成和它与相应内含子的识别机制。更重要的是,它针对的是活化的人源次要剪接体,对于催化中心及活性位点进行了分析,对于药物靶点设计应用具有不可估量的作用。

另外课题组还坚定了次要剪接体的未知的蛋白组分,并阐明了其在 U12 内含子剪接中的重要作用。

延伸阅读

过去 11 年来,施一公课题一直致力于对酵母以及人源剪接体结构解析与分子机制研究,并取得了惊人的成果。其中,包括 10 篇 Science(包含本次次要剪接体结构文章)、4 篇 Cell,1 篇 Nature,3 篇 Cell research 研究性论文,构建了剪接体研究领域的一个闭环。

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施一公研究组解析的剪接体结构汇总。(图片来源: Wan et.al, 2020, Annu Rev Biochem)[9]

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次要剪接体与主要剪接体的结构差异

本次研究是在完成对主要剪接体的「扫图」之后,施教授课题组在次要剪接体和稀有内含子领域开辟的一个新地图。

期待未来的研究成果参考文献:

[1] Bhupendra Verma,. et al. Minor spliceosome and disease, Seminars in Cell & Developmental Biology, Volume 79, 2018, ISSN 1084-9521, https://doi.org/10.1016/j.semcdb.2017.09.036.

[2] Weijun Chen and Melissa Moore. Spliceosome. Current Biology. Vol 25 No 5.

[3]N. Lopez-Bigas,. et al. Are splicing mutations the most frequent cause of hereditary disease?

FEBS Lett., 579 (9) (2005), pp. 1900-1903

[4] K.H. Lim,. et al. Using positional distribution to identify splicing elements and predict pre-mRNA processing defects in human genes. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A., 108 (27) (2011), pp. 11093-11098

[5] Q. Wu, A.R. Krainer. AT-AC pre-mRNA splicing mechanism and conservation of minor introns in voltage-gated ion channel genes. Mol. Cell Biol., 19 (1999), pp. 3225-3236

[6] G.W. Yeo, E.L. Van Nostrand, T.Y. Liang. Discovery and analysis of evolutionarily conserved intronic splicing regulatory elements. PLoS Genet., 3 (5) (2007), p. e85

[7]M.K. Basu, W. Makalowski, I.B. Rogozin, E.V. Koonin. U12 intron positions are more strongly conserved between animals and plants than U2 intron positions. Biol. Direct., 3 (2008), p. 19

[8] https://science.sciencemag.org/cgi/doi/10.1126/science.abg0879

[9]Wan R, Bai R, Zhan X, Shi Y. How Is Precursor Messenger RNA Spliced by the Spliceosome? Annu Rev Biochem. 2020 Jun 20;89:333-358. doi: 10.1146/annurev-biochem-013118-111024. Epub 2019 Dec 9. PMID: 31815536.!

编者按:本文转载自微信公众号:丁香学术(ID:dingxiangshiyan)


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