——剪接體“剪切、粘貼”信使RNA的過程正在冷凍電鏡之下逐步揭曉

? ??生物學中無易事。遺傳信息流動的基本機制最早是通過研究細菌得以闡明的，大致就是DNA被轉錄成信使RNA（mRNA），mRNA再被翻譯成蛋白質。然而，更復雜的生物在這方面的事兒比細菌多得多。我們DNA編碼的基因本身差不多要比拿去翻譯的mRNA長個四到十倍。仔細觀察我們的基因組，你會發(fā)現(xiàn)，絕大多數(shù)基因中編碼蛋白質的部分都割裂成了一個一個的片段，叫做“外顯子”（exon）的，被叫做“內含子”（intron）的非編碼序列隔開。不同基因中內含子的數(shù)目可以有很大變化。比方說，我們體內編碼血紅蛋白的基因被內含子分隔成3段（ATP注：指有3個外顯子，下一句同理），而編碼肌聯(lián)蛋白這個龐然大物的基因則被內含子分隔成365段（ATP注：人的TTN基因只有364個外顯子，原文多了一個；有點尷尬的是，在上面超鏈接的文章最后，我自己也把TTN的外顯子數(shù)搞錯了，少了一個……）。這種模塊化的結構有個棒極了的好處，那就是細胞可以用不一樣的方式把一個基因的片段拼接在一起，這樣只用一段DNA序列也能造出多種多樣的蛋白質。

剪接反應

? ? 剪接體（spliceosome）切開基因轉錄產(chǎn)生的長長的前體mRNA（pre-mRNA），而后把某些片段重連，產(chǎn)生的較小mRNA分子方能成為蛋白質合成的模板。它們是復雜的分子機器，含有很多部件，其中有的是蛋白質，還有的是小巧的RNA。整個復合體的裝配分步進行，每步剪接反應都既有亞基加入又有亞基離開。最開始的幾步中，剪接體的亞基們識別一對剪接位點（ATP注：指內含子兩側的剪接位點），并使它們彼此接近；然后，其中一個剪接位點斷開，斷端（ATP注：即內含子的5'端）與內含子當中一個特別的腺苷酸連在一起，形成一個環(huán)狀結構；最后，另一個剪接位點也斷開，使兩個外顯子得以相連，同時內含子得以釋放。

動態(tài)結構

? ? 人們正在使用冷凍電鏡觀察剪接的各個步驟。不過，剪接體是個極其“活潑好動”的分子機器，因而得到的結構只能包含整個復合體當中稱得上穩(wěn)定的部分。所以說啊，在探究這些結構的時候，你得隨時做好把那些太過好動、沒法確定結構的部分腦補出來的心理準備。上邊圖中的剪接體結構來自PDB條目3jb9，圖中的剪接體剛剛完成剪接反應，連在一起的外顯子已經(jīng)離它而去了，而環(huán)狀的內含子“套索”還在它身上掛著?，F(xiàn)在人們已經(jīng)做出了很多不同剪接步驟當中的剪接體結構，其中也包括結構更加復雜的人類剪接體，使得我們對于剪接過程在結構方面的理解不斷擴充豐富。本文并沒有足夠的空間帶你領略所有這些結構，不過你可以試試在RCSB PDB主站搜索“spliceosome”，去自行探索一番。

RNA的作用

? ? 在剪接體工作時，很大一部分細節(jié)任務都是由它里面那些小小的RNA完成的。上圖中的結構恰巧捕捉到了剪接過程最開始的一瞬間，其時剪接體正在識別剪接位點中的一個（PDB條目6n7p）。剪接體的RNA與pre-mRNA發(fā)生堿基配對，相當于在“閱讀”剪接位點的序列。不久，其他蛋白質和RNA組成的亞基就會加入，以這個復合體為核心裝配為一整個剪接體。除此之外，剪切、粘貼mRNA的化學反應也是剪接體中的RNA催化的，用到兩個鎂離子作輔因子。令人驚訝的是，某些所謂的自剪接RNA（self-splicing RNA）能通過極為類似的反應自己剪接自己，而完全不需要剪接體的半點兒幫助！

與癌癥的聯(lián)系

? ? 相當多疾病都跟mRNA剪接過程的故障有關。舉個例子，在某些癌癥的發(fā)展中起到關鍵作用的是信號蛋白Rac1的一位“分身”，后者是以可變剪接（alternative splicing）造出的前者的“不同版本”。跟Ras蛋白一樣，Rac1的作用像似一個分子開關，GTP使它“打開”，GDP使它“關閉”，就這樣傳遞著與細胞生長、增殖的調控有關的信號。通常的Rac1由六個外顯子編碼的序列組成（來自PDB條目1mh1），而它那位“分身”則比它多出一個外顯子編碼的序列（來自PDB條目1ryf），導致的后果是這家伙比通常的蛋白更容易處于“打開”的狀態(tài)。當這位名叫Rac1b的“分身”在癌細胞被過表達時，它就會為虎傅翼，幫著癌細胞脫離正常的控制、拼命擴增。

探索結構：剪接體對內含子的識別

? ? 這張剪接體活性位點的特寫圖展示了內含子“套索”（黃色）的末端是如何被兩條剪接體中的小RNA分子（梅紅色與紅色）把持住的（ATP碎碎念：莫名感覺這RNA姿勢挺可愛的）。內含子的其中一個末端繞了回來，與它自己身上的2'羥基結合（箭頭所示）。參與了之前反應的催化輔因子鎂離子就在旁邊，就是那兩個梅紅色的圓球。如果想要探索這一結構的細節(jié)，請去原網(wǎng)頁查看可互動的JSmol文件。

更多話題

你可以使用像GenBank這樣的資源查看特定基因當中外顯子和內含子的排布，譬如編碼肌聯(lián)蛋白的基因（網(wǎng)址：https://www.ncbi.nlm.nih.gov/gene/7273）。對于已經(jīng)收錄在PDB當中的蛋白來說，你可以用Protein Feature View了解它們外顯子的結構，比方說由三個外顯子編碼的α-血紅蛋白（ATP注：這個頁面已經(jīng)在2020年12月永久關閉了）。

? ? 文中提到了可變剪接，我得說，這玩意兒不是一般的有趣?？勺兗艚泳唧w是怎么變的我就不細說了，不過我建議你去查一查，因為細胞在這方面真的是腦洞大開。果蠅有個名叫Dscam的基因把可變剪接玩成了絕活，通過24個外顯子中4個可變外顯子的排列組合，它理論上能編碼38016種不同的蛋白！這類離奇的暫且不談，在對我而言比較親近的地方——也就是我最喜歡的RyR2所處的心肌之中（當然了，RyR2的分布其實很廣，這樣說是因為我主要關注心肌中的RyR2），可變剪接的例子也隨處可見。離RyR2遠一點的有文中出現(xiàn)過的肌聯(lián)蛋白：我們經(jīng)常聽到說肌聯(lián)蛋白是我們體內最大的蛋白，不過由于可變剪接，肌聯(lián)蛋白也分好多不同的亞型，其中長者達三萬多氨基酸（在骨骼?。?，短者只有五千多氨基酸（在心??；不過其實它作為單個蛋白算很大了，人家RyR2一個亞基還不到五千氨基酸……），中庸者則有兩萬多氨基酸的（也在心?。?。至于離RyR2近的例子，我想舉junctin。它是肌質網(wǎng)膜上的單次跨膜蛋白，也是內鈣穩(wěn)態(tài)的調控因子。編碼junctin的基因名字叫ASPH，看起來跟它八竿子打不著。這基因名的全稱是“天冬氨酸β-羥化酶”，好像跟壓根不是酶的junctin更沒關系了。不過你別說，現(xiàn)實就這么有意思：junctin確實是從這個基因轉錄再翻譯過來的，只不過它的mRNA被剪接掉了編碼催化亞基的那部分。實際上，ASPH基因的產(chǎn)物中帶酶活性和不帶酶活性的都各有好幾種，盡管在心肌里最引人注目的大概就是那個可以結合肌質網(wǎng)內鈣緩沖蛋白Casq2并能調控RyR2的家伙。除了玩可變剪接的花樣外，ASPH基因有兩個不同的啟動子，這也是一個基因產(chǎn)生多種轉錄產(chǎn)物的方式之一。

? ? 好了，扯淡就到此結束吧=w=下一篇應該會是光合超復合體~

? ? 因技術與能力限制，請前往原網(wǎng)頁以查看原文中所有超鏈接以及可互動的JSmol文件。

? ? 強烈推薦去PDB-101官網(wǎng)查看原文，順便探索一下這個干貨滿滿的科普平臺。

作者：David S. Goodsell

原文網(wǎng)址：https://pdb101.rcsb.org/motm/245

PDB-101首頁：https://pdb101.rcsb.org

RCSB PDB首頁：https://www.rcsb.org

封面來源：Bai, R., Wan, R., Wang, L., Xu, K., Zhang, Q., Lei, J., and Shi, Y. Structure of the activated human minor spliceosome. Science 371, eabg0879 (2021). DOI: 10.1126/science.abg0879