施一公团队破解结构生物学最大难题之一

谢大侠来了

北京时间8月21日凌晨，著名的《科学》杂志在线发表了清华大学生命科学学院施一公教授研究组的两篇具有里程碑意义的论文，宣布得到了高分辨率的剪接体三维结构和剪接体对前体信使RNA执行剪接的基本工作机理，从而将分子生物学的“中心法则”在分子机理的研究上大幅度向前推进。

“这项研究成果的意义很可能超过了我过去25年科研生涯中所有研究成果的总和！”论文发表后，《赛先生》第一时间联系到了施一公，他振奋地表示：“我此前以通讯作者身份在《科学》、《自然》和《细胞》上发表的文章总共接近50篇，但我觉得这次的意义特别重大！”

这两篇文章的题目分别为“3.6埃的酵母剪接体结构（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）”。第一篇文章报道了通过单颗粒冷冻电子显微镜（冷冻电镜）方法解析的酵母细胞剪接体近原子水平分辨率的三维结构，第二篇文章在此结构的基础上进行了详细的分析，阐述了剪接体对前体信使RNA执行剪接的基本工作机理（如下图）。清华大学生命科学学院博士后闫创业、医学院博士研究生杭婧和万蕊雪为两篇文章的共同第一作者，施一公是两篇文章的通讯作者。

完善分子生物学中心法则

为何这两篇文章如此重要？

在分子生物学上，“中心法则”是描述细胞最基础也最核心的生命活动基因表达的一套规律，于1957年由英国生物学家克里克提出，对中心法则各个环节中重要生物大分子的组成、结构和功能的研究从来都是生命科学家们追逐的前沿热点。中心法则的发现与阐述伴随着多个诺贝尔奖的产生。而20多年过去了，其中公认最艰难的部分就是RNA剪接的清晰结构和复杂机理。

在所有真核细胞中，基因表达分三步进行，分别由RNA聚合酶(RNA polymerase)、剪接体(Spliceosome)、和核糖体(Ribosome)执行。首先，储存在遗传物质DNA序列中的遗传信息必须通过RNA聚合酶的作用转变成前体信使RNA (precursor messenger RNA, 简称pre-mRNA)，这一步简称转录（transcription）；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去除内含子、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（splicing）；第三，成熟的信使RNA必须通过核糖体的作用转变成蛋白质之后才能行使生命活动的各种功能。描述这一过程的规律被称为生物学的中心法则，其在生命科学领域具有核心重要性。

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。而剪接体是一个巨大而又复杂的动态分子机器，其结构解析的难度被普遍认为高于RNA聚合酶和核糖体，是世界结构生物学公认的两大难题之一。

施一公告诉《赛先生》：“我们的工作揭示了基因剪接的结构基础，可以把大部分生化数据连在一起，能够很好地解释过去的数据，也可以预测将来的实验结果，但未来还要继续推进这一项基础研究工作，得到一系列的结构之后才能把中心法则的基因剪接全过程描述清楚。”

从施一公研究组发表的这两篇论文可以看出，他们解析的基因剪接体是好几个主要剪接体的共有结构。施一公表示，下一步的工作重点是把不同剪接体相互间不同的地方看清楚，从而阐述内含子被去除，外显子被接在一起的分子机制。

首次在近原子层面得到细节

一直以来，对剪接体的结构解析是分子生物学里最热门的研究之一。其中最有力的竞争者是剑桥大学分子生物学实验室的日裔学者Kiyoshi Nagai博士，此前该领域近一半的工作都与他有关。而他所在的实验室也是现代结构生物学和分子生物学的奠基之处，这里曾走出14名诺贝尔奖得主。

6月24日，Nagai研究组的一篇论文于《自然》网站在线发表，其工作将剪接体所涉及的一个中心复合物tri-snRNP的分辨率提高到了5.9个埃米，一度引起轰动。而此前人类对基因剪接体的认识精度只有29个埃米。1埃米为10-10米，即把1米分成十亿份，其之微小可以想见，因此Nagai的最新工作被称为近原子尺度的结构研究。

而施一公团队此次得到的结果不仅将精度由5.9个埃米提高到了3.6个埃米，而且其解析对象是真正的剪接体，而不是Nagai团队所取得的参与剪接体组装过程的复合物，从而第一次在近原子分辨率上看到了剪接体的细节。

在施一公获得的酵母剪接体高分辨率的三维结构中可以看出，剪接体的外形轮廓十分不对称，各个蛋白相互缠绕，形成了分子量和体积巨大的复合物。

同行评议：将受诺奖考虑

美国加州大学圣地亚哥分校(UCSD)的细胞与分子医学系教授付向东在几个月前已得知施一公得到的这一不平凡的结果，他今日通过邮件告诉《赛先生》：“我认为这是生物界的一件大事，因为世界上有多个顶尖的实验室一直在努力攻克这一难题。这一工作是施教授一生中最杰出的贡献，也是中国科学家近几十年来对科学的最重大的贡献之一。”

著名癌症生物学家、美国杜克大学药理学院讲席教授王小凡也对《赛先生》表示：“施一公是蛋白质领域的世界顶尖科学家，他曾在这一领域做出过许多重要贡献，而如今的这一最新发现，是施一公所取得的所有成就中最重要的。”

对整个生物学领域而言，王小凡说：“我相信这一发现将作为生物学中最重要的成就之一而彰显于世（stand out），因为它解决了无数科学家都向往的生物学的基础问题。”

王小凡还说：“考虑到诺奖已在有关RNA的结构问题上颁出两次奖励，我个人相信，施一公取得的这项成就将得到诺贝尔奖委员会的认真考虑（serious consideration）。这也是过去二三十年中，中国科学家在基础生物学领域做出的最杰出成就。”

幸运之神何以垂青

这样一个全球竞争的热门领域，施一公何以能够大幅领先国际优秀同行呢？

一直以来，研究蛋白质结构有三种主要方法：X射线晶体衍射、核磁共振以及单颗粒冷冻电子显微镜（冷冻电镜）。而施一公所采用的冷冻电镜技术在过去两年里取得了革命性的进展，一方面是它的照相机技术，一方面是其软件分析的图像处理技术，尤其是前者的进步大幅提高了冷冻电镜的解析能力。

施一公说：“如果没有冷冻电镜技术，就完全不可能得到剪接体近原子水平的分辨率。”

尤为幸运的是，早在冷冻电镜技术还远未成势的2007年，清华大学就在上述三种方法中选择了重点发展冷冻电镜技术，如今清华拥有世界最大的冷冻电镜系统。施一公把他和同事们当年卓有远见的选择归于“幸运”，他说“如果没有冷冻电镜肯定做不到今天的结果，而当年确实没想到冷冻电镜会出现飞跃性的进展。”

“幸运”远不止是当年选对了技术。除了仪器的进步，在施一公看来，他们能领先竞争对手的主要原因是拥有极为成熟的样品处理方法。“也就是说如何让蛋白质服服帖帖、性质稳定，成为适合结构解析的样品”，他半开玩笑地说“这是我们的独门绝招，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。”

除了靠谱的仪器、技术和学生，施一公说，“胆量”给了他们最大的惊喜。“本来我们的样品不是最理想的状态，学生有点不敢试，我说不妨上一下试试，最多就是不成功，只要有15埃的分辨率就很好了，结果算出来竟然有3.6埃。我们在今年整个4月份里做计算，那一个月突破连连、都跟做梦似的！”

“距应用还有很大距离”

长久以来，剪接体的结构解析一直被认为是最值得期待的结构生物学研究。因为许多人类疾病都可以归咎于基因的错误剪接或针对剪接体的调控错误。据知人类35%的遗传紊乱是由于基因突变导致单个基因的可变剪接引起的。还有一些疾病的起因是剪接体蛋白的突变影响了许多转录本的剪接。还有一些癌症也与剪接因子的错误调控有关。

但尽管如此，施一公强调说：“这是一个基础研究层面的发现，和应用差距甚远。现在我们还不想谈应用，这会误导大家。”

在施一公看来，这次获得的剪接体的高分辨三维结构和分子作用机制是一项生命科学基础研究的重大突破，但基础研究工作还未完成，需要进一步细化。即便基础研究做完了，也与治疗遗传疾病的实际应用有很大距离。“因为不能说根据我们的剪接体结构就能直接发现引致疾病发生和治疗的方法。这项工作的核心意义是让人类对生命过程和机理有了更进一步的了解。”施一公说。

歪打正着

虽然我不太懂，但是感觉很厉害的样子.

syhorchid

施一公研究组，顶一下。

四叶花

研究蛋白质结构有三种主要方法：X射线晶体衍射、核磁共振以及单颗粒冷冻电子显微镜（冷冻电镜），一直只知道前两种，今天开眼界了