剪接体分子机器和信使RNA前体剪接循环学术资讯

来源：美丽科学BOS

△三维科学可视化作品欣赏：剪接体分子机器和信使RNA前体剪接循环。文末可观看16分钟完整解说版。
本期动画视频是世界一流的科学可视化专家Dan Nowakowski博士制作的科学可视化作品，美丽科学团队曾和Nowakowski博士在2017年合作并发布过与剪接体相关的内容：《烧脑科学可视化动画——剪接体结构与机理》，其中也有对Nowakowski博士的介绍，感兴趣的朋友可以点击这里查看。
之前的科学可视化视频展示的是对信使RNA前体进行剪接的剪接体奥秘，剪接体可视化依据施一公团队2015年发表在Science杂志的研究成果实现。而本期视频是对施一公团队自2015年来关于剪接体结构研究的总结深化。
剪接体是什么？
我们都知道，每一种生物，包括我们人类的行为、语言、认知等一切生命活动都是由基因所控制的。DNA是基因的载体，而遗传信息从存储的DNA转化为具有各种结构、执行各种功能的蛋白质的过程，就叫做中心法则。
中心法则是一个遗传信息传递的过程，共分为转录、剪接、翻译三步。首先，储存在DNA中的遗传信息通过RNA聚合酶的作用转录成信使RNA前体；其次，前体信使RNA由多个内含子和外显子间隔形成，必须通过剪接体的作用剪去内含子、连接外显子之后才能转变为成熟的信使RNA，这一步简称剪接；第三步，成熟的信使RNA通过核糖体的作用被翻译成蛋白质。
剪接这一过程的意义在于，刚由DNA转录形成的信使RNA前体就像一盒原始“磁带”，有的部分有声音，有的部分没声音，那么在播放的时候，声音就会时断时续。这时就需要一位能工巧匠，把磁带中没有声音的部分（内含子）剪掉，再把有声音的部分（外显子）连接起来，从而使得基因的使者RNA能把基因携带的遗传信息完整、连续地表达出来。这位能工巧匠便是剪接体。
剪接体与人类健康
每个细胞对于每一条信使RNA前体的剪接在时空上是非常精准的。剪掉谁，剪掉多长，什么时候剪，每一个“操作”都是可能改变细胞命运的关键问题。一步走错，结果千差万别。研究发现，人类的遗传疾病大约有35%都是因为剪接异常造成的。
因此，剪接体的研究对人类健康至关重要，自1993年RNA剪接被发现以来，科学家们一直在探索其中的分子奥秘，期待早日揭示这个复杂过程的分子机理，然而始终未能取得巨大突破。这是由于剪接体作为一个巨大而又复杂的动态分子机器，即便在倍数很高的电子显微镜下也难以清晰地观详其一二。因此，生化教科书将剪接体形容为细胞里最复杂的超大分子复合物，也毫不为过。剪接体结构解析的难度普遍认为高于RNA聚合酶和核糖体，（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），被称为世界结构生物学公认的两大难题之一。所以，解析剪接体这颗分子生物学皇冠上的明珠，是很多生物学家的终极梦想。
变“不可能”为“可能”
事实证明，事在人为！施一公团队率先攻克了生物学界的这一大难题，将“不可能”变为了“可能”。经过7年的努力，施一公团队终于在2015年首次解析了裂殖酵母剪接体3.6埃的高分辨率结构（1埃，即1纳米的十分之一；百亿分之一米），首次展示了剪接体催化中心近原子分辨率的结构。这一重大研究成果对RNA剪接机理的研究产生革命性影响，也是近30年中国在基础生命科学领域对世界科学的最大贡献。
从2015年至今，施一公研究组先后在酵母中解析了共10个不同状态的剪接体高分辨的三维结构，成果全部发表于国际顶级期刊《科学》和《细胞》。这10个状态的剪接体完整覆盖了剪接通路，首次将剪接体介导的RNA剪接过程完整的串联起来，为理解RNA剪接的分子机理提供了最清晰、最全面的结构信息。
文章开头的视频展现的便是信使RNA前体剪接循环这一过程。如果大家想要了解得更加详细，可以观看完整版的介绍视频。
△完整版作品：剪接体分子机器和信使RNA前体剪接循环

未来有多远
十年磨一剑，10个不同状态的剪接体高分辨的三维结构都已被解析，是不是意味着剪接体的研究可以告一段落了？是不是意味着可以投入临床应用了？当然不是！研究的道路还很漫长。比如，与疾病有关的剪接体突变体的结构是怎样的，它们是如何变的异常的，又是如何导致疾病的，剪接体的调控机理是怎样的？等等。这些都是尚需解决的问题。
从基础科学的研究到临床应用，再到治疗疾病，还有一段漫长的距离。但是，基础研究的每一项突破都让我们在宇宙中，在地球上，将我们人类的已知边界向外拓展了一步，都让人类在未知世界的探索中往前迈进了一步。动画制作：Dan Dowakowski科学顾问：闫创业、万蕊雪出品方：清华大学结构生物学高精尖创新中心

来源：beautyofscience2016 美丽科学BOS

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