2016年12月16日，清华大学生命学院、结构生物学高技术创新中心施一公教授课题组在《科学》 (Science)杂志上发表了一篇关于剪接结构和机制的研究文章。标题为《酵母剪接体处于第二步催化激活状态下的结构》(酵母步骤ii催化活化剪接体的结构)，报道了在第二次剪接反应前工作状态下酿酒酵母剪接体的三维结构。阐明了第一步剪接反应完成后构象变化引发的第二步反应的激活机制，进一步揭示了前mRNA剪接的分子机制。
由于真核生物的基因编码区中存在未翻译成蛋白质的序列(称为内含子)，因此从染色体DNA转录的前mRNA并不直接参与蛋白质翻译，而是需要在进入核糖体进行蛋白质合成之前去除内含子片段。内含子的去除需要两步酯交换反应：首先，位于内含子序列下游的一个高度保守的腺嘌呤核苷酸(A)称为分支点序列，其2’羟基亲核攻击内含子5’端的鸟嘌呤(G)，因此发生第一步反应形成套索结构；然后5’外显子末端暴露的3’-OH攻击内含子3’末端的鸟嘌呤，发生第二次反应，两个外显子连接在一起。通过这两个反应，前体信使核糖核酸中不同数量和长度的内含子被消除，剩余的外显子以特定的顺序连接起来，形成成熟的信使核糖核酸(mRNA)(图1)。
图1基因剪接反应示意图(图片来源：《Cell》)
这两个化学反应是由分子机器——的巨大、复杂和动态拼接催化的。对于每个内含子，为了控制每组反应在适当的时间呈现适当的构象以发挥其活性，剪接体的组分以高度精确的顺序结合和解离，以组装一系列具有不同构象的分子机器，这些分子机器统称为剪接体。根据它们在RNA剪接过程中的生化特性，这些剪接被分为几种状态，如B、Bact、B*、C、P、ILS等。在组装、活化和催化反应过程中获得各种状态的剪接结构是最基本和最具挑战性的结构生物学问题之一。
2015年8月，石课题组率先突破，在国际上首次报道了ILS状态下裂殖酵母拼接的3.6埃高分辨率结构。2016年7月22日，施一公教授的研究团队在《科学》上发表了一篇背靠背的长文，首次报道了酿酒酵母剪接体在第一次催化反应(催化步骤I剪接体，近原子分辨率剪接结构，也称C复合体)前后处于活化状态(也称Bact复合体)，完整地展示了第一次酯交换反应前后起催化作用的前mRNA和snRNA的反应状态，以及剪接内蛋白质组分的组装以供研究然而，没有高分辨率的结构来证明拼接催化的第二次酯交换反应的细节。
在最新发表的文章《科学》中，施一公教授的研究团队捕捉到了性能良好的酿酒酵母的剪接样本，利用先进的单粒子冷冻电镜技术和高效的数据分类方法，重建了整体分辨率为4.0埃的冷冻电镜结构，首次报道了处于第二催化活化状态的酵母的剪接结构。对这一结构的分析进一步补充了mRNA剪接过程的关键信息，描述了剪接催化反应活性中心内部成分的变化以及关键蛋白在第一次酯交换反应到第二次酯交换反应过程中的参与情况。
为理解第二步反应所需的3’剪接位点是如何进入活性位点提供了重要的结构基础。值得关注的是，该结构的催化核心区域的分辨率达到3.5埃，第一次展示了转酯反应进行中的关键结构信息，填写了第二步转酯反应细节信息的空白。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埃的第一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。
施一公教授为本文的通讯作者；清华大学生命学院博士后结构生物学高精尖创新中心卓越学者闫创业、医学院四年级博士生万蕊雪以及生命学院二年级博士生白蕊为该文的共同第一作者；生命学院二年级博士黄高兴宇参与了这项研究；电镜数据采集于清华大学冷冻电镜平台，计算工作得到清华大学高性能计算平台、国家蛋白质设施实验技术中心(北京)以及荣之联董事长王东辉先生的支持。本工作获得了北京市结构生物学高精尖创新中心及国家自然科学基金委的经费支持。
图2 C* complex三维结构示意图
