盘点:师从施一公的「世界最具潜力女科学家」白蕊的 8 篇 CNS

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  2020 年 2 月 11 日,欧莱雅基金会和联合国教科文组织宣布,西湖大学博士后白蕊获得第 22 届「世界最具潜力女科学家奖」。这一奖项,每年仅颁给 15 人,年仅 27 岁的白蕊,是亚太区今年摘得该项荣誉的三位科学家之一。
白蕊本科就读于武汉大学,在大三时听了施一公的一场讲座后,被他的科研观和大局观吸引,坚持选施一公作为导师。
白蕊博士期间的课题是利用结构生物学的手段来探究 RNA 剪接的分子机理。攻读博士期间,发表高水平研究论文 8 篇,其中 5 篇发表于Science,3 篇发表于Cell,引用次数 600 余次。后赴西湖大学从事博士后研究工作。

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  图片来源:清华大学公众号
RNA 剪接(RNA splicing)是指从 DNA 模板链转录出的最初转录产物中除去内含子,并将外显子连接起来形成一个连续的 RNA 分子的过程。RNA 剪接的本质是两步转酯反应,这种看似简单的化学反应需要一个巨大且高度动态变化的分子机器——剪接体(spliceosome)来完成。
剪接体构象多变、组成极其复杂。研究表明,30% 的人类遗传紊乱以及多种癌症均与某些基因的错误剪接、剪接体蛋白组分的突变以及剪接体的错误调控有关。
然而,剪接体催化过程中不同构象高分辨率结构的缺失严重限制了大家对其工作机制以及 RNA 剪接的分子机理的理解。因此,对于剪接体以及 RNA 剪接通路上各复合物结构的研究,是当今世界最富有挑战性、最亟待解决的课题之一。之前,国际上还未有人成功解析过以上不同状态的剪接体的高分辨率三维结构。
今天就让我们简单来盘点一下白蕊在博士期间发表的 8 篇研究论文。

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  白蕊成功解析了 8 个重要状态剪接体的高分辨率三维结构
来源:清华研读间
1. The 3.8 structure of the U4 /U6.U5 tri-snRNP: Insights into spliceosome assembly and catalysis
(Science , 29 Jan 2016)

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  图片来源:Science
前体信使 RNA 的剪接是由称为剪接体的动态巨型复合体完成的。功能性剪接体的组装需要一个预先组装的 U4 /U6.U5tri-snRNP 复合物,它由 U5 小核核糖核蛋白 (SnRNP)、U4 和 U6 小核 RNA(SnRNA) 双链以及一系列蛋白质因子组成。
该研究报道了一株酿酒酵母 U4 /U6.U5tri-snRNP 的三维结构,其总分辨率为 3.8 埃。Tri-snRNP 核心区的局部分辨率达到 3.0 到 3.5 埃,可以构建精细的原子模型。
作者解析的结构包括 U5snRNA、广泛碱基配对的 U4 /U6snRNA 以及包括 Prp8 和 Snu114 在内的 30 个蛋白质,共计 8495 个氨基酸和 263 个核苷酸,总分子质量约为 100 万道尔顿。
来自 U6snRNA 的催化核苷酸 U80 以非活性构象存在,由其与 U4snRNA 的碱基对稳定相互作用,并受 Prp3 保护。前信使 RNA 通过与 U6snRNA 和 U5snRNA 的环 I 的碱基配对相互作用结合在 Tri-snRNP 中。这种结构与剪接体的结构一起揭示了剪接体核酶激活过程中 snRNAs 的分子编排。

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  酿酒酵母 U4 /U6.U5tri-snRNP 剪接体的结构
图片来源:Science
2. Structure of a yeast activated spliceosome at 3.5 resolution
(Science 26 Aug 2016)

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  这篇研究报道了来自酿酒酵母的一个激活态剪接体 (称为 Bact 复合体) 的原子结构,它是由平均分辨率为 3.52 埃的冷冻电子显微镜测定的。
最终的精制模型包含 U2 和 U5 小核核糖核蛋白颗粒 (SnRNPs),U6 小核 RNA(SnRNA),19 个复合物 (NTC),NTC 相关 (NTR) 蛋白,以及一个 71 核苷酸的 Pre-mRNA 分子,共计来自 38 种蛋白质的 13505 个氨基酸,总分子量约为 160 万道尔顿。
5外显子由 U5snRNA 的环 I 锚定,而内含子的 5剪接位点 (5SS) 和分支点序列分别被 U6 和 U2snRNA 特异性识别。除了催化金属离子的配位作用外,Prp8 催化空腔中的 RNA 元件大多为催化作用做好了准备。催化潜伏阶段由包围 BPS 的 SF3B 复合物以及掩盖 5外显子- 5SS 连接的剪接因子 Cwc24 和 Prp11 维持。这个结构与前面确定的结构一起勾勒出了前 mRNA 剪接反应的分子框架。

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  Bact 复合物的催化潜伏期
图片来源:Science
3. Structure of a yeast catalytic step I spliceosome at 3.4 resolution
(Science 26 Aug 2016)

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  由剪接体执行的前信使 RNA 剪接作用中,每个循环包括两个逐步发生的酯交换反应,这两个反应移除了一个内含子并连接了两个外显子。
这篇文章研究了来自酿酒酵母的催化步骤 I 剪接体 (称为 C 复合物) 的原子结构,这是由平均分辨率为 3.4 埃的冷冻电子显微镜测定的。
在结构中,分支点序列 (BPS) 中不变腺嘌呤核苷酸 (BPS) 的 2′-OH 与 5′剪接位点 (5′SS)5′端的磷酸共价连接,形成内含子套索。游离的 5′外显子仍然锚定在 U5 小核 RNA(SnRNA) 的环 I 上,内含子的 5′SS 和 BPS 分别与保守的 U6 和 U2 snRNA 序列形成双链。这些 RNA 元件在 Prp8 催化空腔的特异性放置由 15 个蛋白质组分稳定,包括 Snu114 和剪接因子 Cwc21、Cwc22、Cwc25 和 Yju2。这些特征揭示了第一步反应后剪接体的构象,并预测了执行第二步酯交换反应所需的结构变化。

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  RNA 构象水平上前 mRNA 剪接的工作模式
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4. Structure of a yeast step II catalytically activated spliceosome
(Science 13 Jan 2017)

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  前体信使 RNA(Pre-mRNA) 剪接的每个循环包括两个逐步发生的反应,首先释放 5′外显子并产生内含子套索- 3′外显子,然后连接两个外显子并释放内含子套索。第二个反应由步骤 II 催化激活的剪接体 (称为 C*复合物) 执行。
这篇文章中,作者探究了来自酿酒酵母的 C~*复合物的冷冻电子显微镜结构,其平均分辨率为 4.0 埃。与之前的剪接体复合体 (C 复合体) 相比,套索连接移位了 15~20 埃,为传入的 3′-外显子序列腾出了空间。
步骤 I 剪接因子 Cwc25 和 Yju2 已从活性位点解离。Prp8 的两个催化基序 (核酸酶类 H 结构域的 158 环,和 β 指),以及步骤 II 剪接因子 Prp17 和 Prp18 和其他周围蛋白,潜在促进第二次酯交换。这些结构特征加上其他剪接体复合物的研究报道,完善了关于剪接循环的机制图。

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  Pre-mRNA 剪接的机制模型
图片来源:Science
5. Structure of an Intron Lariat Spliceosome from Saccharomyces cerevisiae
(Cell 14 September 2017)

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  图片来源:Cell
内含子套索剪接体 (ILS) 的解体标志着剪接循环的结束。
这篇文章报道了酿酒酵母 ILS 复合物的低温电子显微镜结构,其平均分辨率为 3.5 埃。内含子套索仍然结合在剪接体中,而连接的外显子已经解离。步骤 II 剪接因子 Prp17 和 Prp18 以及稳定与 U5 小核 RNA(SnRNA) 环 I 结合的 5′外显子的 Cwc21 和 Cwc22 已经从活性位点组装中释放。
Deah 家族 ATP 酶/解旋酶 Prp43 与剪接体外围的 Syf1 结合,其 RNA 结合位点接近 U6snRNA 的 3′端。Ntr1 /Spp382 的 C-末端结构域与 GTPase Snu114 结合,而 Ntr2 与 Ntr1 的超螺旋结构域相互作用时锚定在 Prp8 上。这些结构特征揭示了 ILS 复合物的一种可靠的拆解机制。
6. Structure of the Post-catalytic Spliceosome from Saccharomyces cerevisiae
(Cell 14 December 2017)

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  剪接体从前 mRNA 中去除内含子会导致催化后剪接体中两个外显子的连接 (称为 P 复合体)。
这篇文章中作者提出了来自酿酒酵母的 P 复合体的低温 EM 结构,平均分辨率为 3.6 埃。
连接的外显子通过 RNA-RNA 接触被保留在活性位点。5′-外显子 3′端的 3 个碱基仍然锚定在 U5 小核 RNA 的环 I 上,3′-剪接位点 (3′SS) 的保守 AG 核苷酸被分支点序列的保守腺嘌呤、5′SS 末端的鸟嘌呤碱基和 U6 snRNA 的腺嘌呤碱基特异性识别。3′SS 通过与 Prp8 的 1585 环相互作用而稳定。
P 复合体结构的解析有利于从剪接接头形成的视角,完整理解的剪接循环。

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  7. Structures of the fully assembled Saccharomyces cerevisiae spliceosome before activation
(Science 29 Jun 2018)

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  前催化剪接体 (B 复合体) 由前 B 复合体变化而来。这篇文章研究了酿酒酵母前 B 和 B 复合物的冷冻电子显微镜结构,其平均分辨率分别为 3.3 到 4.6 埃和 3.9 埃。
在 Pre-B 复合体中,5′剪接位点 (5′SS) 和 U1 小核 RNA(SnRNA) 之间的双链被 Yhc1、Luc7 和 Sm 环识别。
在 B 复合体中,U1 小核糖核蛋白被解离,5′-外显子- 5′SS 序列移位到 U6snRNA 附近,3 个 B-特异性蛋白可能定位前体信使 RNA。
在这两个复合物中,U6 snRNA 锚定在 U5 snRNA 的环 I 上,分支点序列和 U2 snRNA 之间的双链被 SF3B 复合物识别。Pre-B 复合体的结构阐明填补了剪接体对 Pre-mRNA 剪接的机制理解中的重要知识空白,揭示了酵母剪接体的组装和激活机制。

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  酿酒酵母 Pre-B 和 B 复合体的冷冻电镜结构
图片来源:Science
这是一个非常重大的突破,揭示了世界上最大、最复杂的剪接体结构,也是施一公实验室第一次捕获并解析了一个全新的剪接体状态,审稿人更是将该结构评价为史上最重要、最振奋人心的剪接体结构之一,在领域内有极大的反响。
8. Structures of the Catalytically Activated Yeast Spliceosome Reveal the Mechanism of Branching
(Cell 4 April 2018)

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  前 mRNA 剪接是由剪接体执行的。催化活化配合物 (B-) 的结构表征是理解支化反应的关键。
在本研究中,作者从酿酒酵母的两个不同的 Pre-上组装了 B-复合物,并测定了四个不同的 B-RNA 复合物的冷冻-EM 结构,总分辨率为 2.9 – 3.8 埃。
在 3 个不含步骤 I 剪接因子 Yju2 和 Cwc25 的 B复合物中,U2 小核糖核酸和分支点序列之间的双链与 5′-剪接位点 (5′SS) 分开。Yju2 被招募到活性中心使 U2 /BPS 双链进入 5′SS 附近,而 BPS 亲核基团位于距离催化金属 M2 4 埃的位置。这一分析揭示了 Yju2 和 Cwc25 在分支中的作用机制。不同前 mRNA 上的这些结构揭示了剪接体在主要功能状态下的底物特异性构象。

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  优秀的一个个成果背后,是白蕊坚定的信念、坚持和努力,读博期间,她也曾因病痛低落迷茫至想要退学,也曾因为被竞争对手抢发文章而难过到彻夜难眠,这些都是科研道路上的万千难关,她都一一克服。
这才是榜样的力量!
参考资料:
https://www.researchgate.net/profile/Rui_Bai8 /research
封面来源:站酷海洛 Plus

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