施一公研究组捕获了酵母剪接体近原子分辨率的三维结构，并阐释了剪接体的基本工作原理

破解RNA剪接之谜

《财经》记者 马子颂

2015年8月21日，著名期刊《科学》刊登了清华大学生命科学学院教授施一公研究组关于剪接体分子结构和机理研究的论文。该项突破性的进展被科学界评论为“中国科学家近几十年来对科学的最重大的贡献之一”。

两篇论文分别为《3.6埃分辨率的酵母剪接体结构》（Structure of a Yeast Spliceosome at 3.6 Angstrom Resolution）和《前体信使RNA剪接的结构基础》（Structural Basis of Pre-mRNA Splicing）。第一篇报道了通过单颗粒冷冻电子显微技术（冷冻电镜）解析的酵母剪接体近原子分辨率的三维结构；第二篇文章在此结构的基础上阐述了剪接体对前体信使RNA执行剪接的基本工作机理。

DNA双螺旋结构发现者之一的弗朗西斯·克里克于1958年提出了经典的生物学“中心法则”，清晰地阐述了遗传信息在细胞内传递的过程。围绕“中心法则”诞生了多个诺贝尔奖。其中，RNA聚合酶和核糖体的结构解析曾分别获得2006年和2009年的诺贝尔化学奖。

研究核糖体结构的著名专家、加州大学圣克鲁兹分校教授哈里·诺勒说：“与剪接体的复杂结构相比，核糖体就跟儿童玩具一样。”剪接体具有高度复杂的结构，其结构解析的难度被普遍认为高于RNA聚合酶和核糖体，因此许多科学家望而却步。

施一公研究组的成果引来学术界高度关注。2009年诺贝尔生理与医学奖得主杰克·肖斯德克（Jack Szostak）说：“剪接体是细胞内最后一个被等待解析结构的超大复合体，而这一等待实在已经太久了。施一公教授这一项成果为该领域进一步研究开启了大门。”

施一公研究组所获得的剪接体结构，无论从分辨率还是完整性上都超越了当前世界其他实验室的研究水平。清华大学生命科学学院结构生物学家柴继杰分析，之前的结构研究无论从分辨率还是剪接体的完整性来说，都和这一结果无法比拟。英国医学研究委员会（MRC）分子生物学实验室有一个所都在集中精力来解剪接体结构。该实验室是剑桥大学最引以为傲的实验室之一，这里走出过14名诺贝尔奖得主。

施一公团队获得3.6埃分辨率的酵母剪接体结构，核心区域的分辨率甚至超过3.2埃，遥遥领先。两个月前MRC分子生物学实验室的Kiyoshi Nagai团队刚把分辨率提高到5.9埃。

1埃等于10-10米，即0.1纳米。此前，冷冻电镜所达到的最高分辨率为20－29埃。中国科学院生物物理所结构生物学博士研究生范敏锐说：“目前冷冻电镜的分辨率很难超过3埃。极个别的蛋白质分子或能达到2埃多。”

柴继杰也指出：“3.6埃的分辨率可以得到氨基酸侧链的信息，也就是说结构中的蛋白质的序列可以得到确认。3.6埃是电镜结构很高的分辨率，尤其是对剪接体这样没有对称性的结构。”

从完整性上来说，施一公研究组解析了好几个主要剪接体的共有结构，其解析对象是真正的剪接体，而不是Kiyoshi Nagai团队所取得的参与剪接体组装过程的复合物。

这两篇文章的共同第一作者闫创业、杭婧和万蕊雪都是来自清华的“85后”学生。施一公表示，取得如此斐然的成果，靠的是“优秀的团队+运气”。这三人缺一不可，每个人都有专长，并且在自己专长的领域里达到了很高的水平。正因为他们的努力，我们才能领先其他竞争对手做出这一成果。

要获得高分辨率和高完整度的剪接体结构，除了依靠先进的冷冻电镜外，前期的样品制备和后期的数据处理同样重要。

前期样品的制备主要有杭婧和万蕊雪承担。由于不同的样品制备的方法和条件都不相同，没有经验也没有人可以请教，研究人员只能通过大量阅读和反复试验不断摸索。每天在实验室工作14个－16个小时，最终摸索出一套属于自己的样品制备方法，为最终获得高分辨率的结构奠定了基础。

施一公说：“我们能领先竞争对手的原因之一是，拥有成熟的样品处理方法。这是他们实验室的独门绝招，这个绝招即便写出来，别人不在我的实验室做上一两年也很难理解或吃透，因为这是师傅带徒弟一点点积累起来的。”

在后期数据处理阶段，闫创业独创的一套数据处理方法进一步提高了结构的分辨率。论文发表之后，世界各地的实验室也纷纷发来邮件询问和索求这套数据处理“秘籍”。

对于下一步工作计划，施一公表示，目前他们完成的是几个主要剪接体的共同部分，下一步希望能够看清楚它们之间的不同部分，从而可以更完整地揭示剪接体的剪接机制。