如果把微觀生命活動(dòng)比作一部電影，那么這部精密而復(fù)雜的“影片”就是由無數(shù)蛋白質(zhì)各司其職上演的，它們影響著生命體的健康。而“指揮”這些蛋白質(zhì)、讓它們執(zhí)行各種功能的，就是基因。而在基因塑造生命的過程中，有個(gè)隱秘而偉大的遺傳“剪輯師”——次要剪接體。
(資料圖片僅供參考)
1.每一次剪接，都關(guān)乎細(xì)胞“命運(yùn)”
剪接體的故事，要從一條生命體的核心規(guī)則——“中心法則”說起。
什么是中心法則呢？我們已經(jīng)知道，基因控制著生命活動(dòng)的方方面面，但基因并不能直接對(duì)蛋白質(zhì)發(fā)布“指令”，而是需要?dú)v經(jīng)遺傳信息的傳遞?；蚴荄NA上攜帶遺傳信息的片段，這些遺傳信息被傳遞給RNA，再由RNA轉(zhuǎn)化為有實(shí)質(zhì)性功能的蛋白質(zhì)。這樣一來，基因中的信息就得到了表達(dá)。這條標(biāo)準(zhǔn)化的“流水線作業(yè)”，就叫作“中心法則”。
我們可以把這個(gè)“流水線”想象成多人傳話的游戲——一句簡(jiǎn)單的話，在歷經(jīng)人與人的傳遞后，很可能會(huì)走樣。那么，保持其準(zhǔn)確、有序、精煉，就成為最關(guān)鍵的一步——形成“正確”的RNA，也就是RNA剪接。
此時(shí)，就該剪接體登場(chǎng)了——DNA輸送來的“原始影片素材”，也就是遺傳信息，實(shí)際上是“雜亂無章”的，而剪接體就像一位經(jīng)驗(yàn)豐富的電影“剪輯師”，它會(huì)精確完成以下工作——篩選出包含遺傳信息的、需要的片段（即“外顯子”）和多余無用的片段（即“內(nèi)含子”），把無用的片段剪掉后，再把有用的片段按特定的順序連接起來。由此，正確的RNA就形成了，信息才能進(jìn)入下一步的蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)化。
剪掉哪段、剪掉多少長(zhǎng)度、什么時(shí)候剪、如何拼接……電影的剪輯方式和順序會(huì)影響最終呈現(xiàn)效果，剪接體的工作也是如此。通過剪接體的“排列組合”后，有限的基因組能有更多的編碼形式，從而形成更多種類的蛋白質(zhì)——這就解釋了，為什么人體只有兩萬多個(gè)基因，但蛋白質(zhì)卻有幾十萬種。由此可見，剪接體的每一步操作，都關(guān)乎細(xì)胞的“命運(yùn)”。
2.次要剪接體，關(guān)鍵的“限速”步驟
你可能已經(jīng)意識(shí)到，剪接體是生物體內(nèi)不可或缺的存在。從量級(jí)上來看，亦是如此，它確實(shí)是“大家伙”——它由幾十到幾百種蛋白質(zhì)和5條RNA動(dòng)態(tài)組合而成，被教科書稱為“細(xì)胞里最復(fù)雜的超大分子復(fù)合物”。
可是，在這樣無法忽視的存在中，偏偏就有一個(gè)被誤讀和忽視的身影——次要剪接體。剪接體分為主要剪接體和次要剪接體，因被冠名“次要”，大家往往望文生義，認(rèn)為它是不重要的剪接體。
事實(shí)上，主要剪接體和次要剪接體的功用相似，都是RNA剪接中缺一不可、相互配合的“剪輯師”搭檔。從重要性上講，二者并無差別。
它們的不同之處在以下兩個(gè)方面。第一，二者所識(shí)別的“多余無用片段”內(nèi)含子不同。主要剪接體識(shí)別的是人體內(nèi)99%以上的內(nèi)含子，占比較多；次要剪接體瞄準(zhǔn)的是在體內(nèi)含量不足1%的稀有內(nèi)含子，占比較少。第二，它們的RNA和蛋白質(zhì)組成存在較大差異。
截至目前，科學(xué)家們尚未具體搞清楚它們二者是如何配合的，但它們所主導(dǎo)的兩條“剪輯”通路，一定是通力協(xié)作的。
說起來，次要剪接體被發(fā)現(xiàn)，也比主要剪接體晚得多。1979年，基因剪接現(xiàn)象已經(jīng)被學(xué)界所發(fā)現(xiàn)，隨之發(fā)現(xiàn)了剪接體，可直到20世紀(jì)90年代，次要剪接體才“姍姍來遲”，才有了“主要”和“次要”的分別?？茖W(xué)家們發(fā)現(xiàn)，有一類“多余無用”的片段（內(nèi)含子）和以往熟悉的經(jīng)典序列不同，隨之發(fā)現(xiàn)它們被一類新的剪接體所剪接。新發(fā)現(xiàn)的這類內(nèi)含子占比稀少，故被稱作稀有內(nèi)含子，相對(duì)應(yīng)的剪接體，即被命名為次要剪接體。
盡管“露面”較晚，次要剪接體卻隱秘而偉大。它所剪輯的內(nèi)含子，分布在許多重要基因之中，因此這條次要剪接體通路，在許多基本的生命活動(dòng)中起到重要作用。此外，越來越多的研究表明，次要剪接體“剪”的速度，決定了RNA能不能，以及何時(shí)能往下轉(zhuǎn)化為蛋白質(zhì)，是中心法則中關(guān)鍵的“限速”步驟。
3.剪接體出錯(cuò)，引發(fā)癌癥及罕見病
如果電影剪輯師生病了，或者不在狀態(tài)，會(huì)怎么樣？電影可能會(huì)成片錯(cuò)亂無章、沒有美感。要是遺傳信息“剪輯師”—剪接體出了問題，麻煩就大了。
剪接體出錯(cuò)，不外乎兩種原因。其一，剪接體作為大分子機(jī)器，自己身上出了問題；其二，剪接體的行為出了問題，“剪”錯(cuò)了。無論是哪一種情況都很棘手，因?yàn)檫z傳信息將無法正確傳遞、不能合成準(zhǔn)確的蛋白質(zhì)、更無從完成生命活動(dòng)……這些情況都是引發(fā)疾病的隱患。
研究表明，盡管占比較少，但次要剪接體的異常與許多人類疾病息息相關(guān)，主要是癌癥和罕見病。在癌癥中，典型的情況是骨髓增生異常綜合征，這是白血病的前期。它在中國(guó)每年新發(fā)病例有30多萬，通過基因測(cè)序發(fā)現(xiàn)，50%的案例是次要剪接體上的蛋白發(fā)生突變導(dǎo)致，也就是剪接體本身出了問題了。此外，有35%的人類遺傳紊亂疾病被發(fā)現(xiàn)與剪接體相關(guān)，這些遺傳病中有一大部分是罕見病。其中，生長(zhǎng)激素缺乏癥、早發(fā)型小腦共濟(jì)失調(diào)、小頭畸形骨發(fā)育不良原始侏儒癥、遲發(fā)性脊柱骨骺發(fā)育不良、肌萎縮側(cè)索硬化……這些罕見病都和次要剪接體異常相關(guān)。
遺憾的是，次要剪接體對(duì)人類來說，依然是一個(gè)神秘的存在。盡管它在上世紀(jì)已被發(fā)現(xiàn)，但隨后的研究卻陷入停滯。自剪接體發(fā)現(xiàn)以來，科學(xué)家們一直在探索其中的分子奧秘，期待揭示背后的機(jī)理，但也陷入了長(zhǎng)年累月的僵局。
這種困境實(shí)屬事出有因，事實(shí)上，研究剪接體從來并非易事。
剪接體是一個(gè)龐大且永遠(yuǎn)處在動(dòng)態(tài)中的“大分子機(jī)器”，它的機(jī)理非常復(fù)雜。所謂“大分子機(jī)器”，指的是那些像機(jī)器般運(yùn)作、分子量較大的物質(zhì)，蛋白質(zhì)、核酸、多糖等生物物質(zhì)也屬于這個(gè)類別。說是“機(jī)器”，剪接體遠(yuǎn)比我們生活中見到的機(jī)器復(fù)雜得多。如果想要讓一臺(tái)機(jī)器發(fā)揮功能，只需要把它組裝好，然后放在合適的位置，讓它運(yùn)轉(zhuǎn)起來就行了。
但對(duì)剪接體來說，并不是這樣——假設(shè)眼前有一個(gè)由8個(gè)部分組成的剪接體。在找到需要“剪輯”的“片段”后，這些部分并不是一起組裝完成的——可能有一兩個(gè)先抵達(dá)工作地，開始忙碌，其他部分在這個(gè)過程中可能會(huì)陸續(xù)加入、各司其職，也可能會(huì)在不同的時(shí)間離開，也就是說，這樣的結(jié)合是動(dòng)態(tài)的。當(dāng)剪輯完成后，所有8個(gè)部分會(huì)被釋放，等下一次有工作任務(wù)了，再進(jìn)行新一輪的結(jié)合。
近年的科學(xué)研究證實(shí)，剪接體這個(gè)大分子機(jī)器，每完成一次“剪輯”，期間存在10種不同的狀態(tài)。
即便應(yīng)用倍數(shù)很高的電子顯微鏡，也難以清晰地詳細(xì)觀察剪接體這樣精密又復(fù)雜的工作過程?？梢韵胂?，既然主要剪接體的研究已經(jīng)舉步維艱了，對(duì)次要剪接體的探索，必然是難上加難。原因非常明了：次要剪接體的含量占比稀少，發(fā)出的“信號(hào)”弱，科學(xué)家們更難獲得樣本。
4.破譯剪接體“真身”，向免于病痛邁進(jìn)一步
次要剪接體就存在于人體內(nèi)，伴隨著每一刻的呼吸。難道就這樣放棄對(duì)它的研究嗎？既然它是存在的，就不應(yīng)該毫無新發(fā)現(xiàn)，對(duì)不對(duì)？抱著這樣樸素的想法，我國(guó)的研究團(tuán)隊(duì)決定跟它“死磕”。
眼下，我們希望能夠從生物化學(xué)和結(jié)構(gòu)生物學(xué)的角度，去理解次要剪接體。換句話說，我們想要破譯這類“剪輯師”，搞清楚它到底是誰，由什么構(gòu)成，究竟具體在做什么，是怎么做到的，和主要剪接體如何協(xié)作等。
在研究次要剪接體之前，西湖大學(xué)施一公院士研究組在過去的十多年間，都在致力于剪接體的三維結(jié)構(gòu)解析與分子機(jī)理研究。這個(gè)研究組是世界上首個(gè)，也是目前唯一一個(gè)成功捕獲并解析了RNA剪接過程中所有完全組裝剪接體高分辨率三維結(jié)構(gòu)系列成果的團(tuán)隊(duì)。換句話說，這項(xiàng)研究讓人類看清楚了主要剪接體這位“剪輯師”的完整通路，覆蓋了“剪輯”的全過程。
我們的研究團(tuán)隊(duì)也曾參與其中，在進(jìn)行了大約四五年的主要剪接體研究工作，有了主要剪接體的研究經(jīng)驗(yàn)和成果積累后，我們開始對(duì)“被忽視”的次要剪接體進(jìn)行研究。
如何把這1%的次要剪接體捕獲出來，跟主要的剪接體分開，是領(lǐng)域內(nèi)公認(rèn)的難題。這個(gè)空白領(lǐng)域中，沒有任何文獻(xiàn)和經(jīng)驗(yàn)可供參考。經(jīng)過長(zhǎng)期研究與實(shí)驗(yàn)，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)高效的“誘餌”（pre-mRNA），也就是用一段需要“剪輯師”處理的素材，用它“釣”出了含量極少、被視為很難分離的次要剪接體?？梢园堰@個(gè)過程想象為針對(duì)次要剪接體“喜好”而特別人工設(shè)計(jì)了它感興趣的“片段”，投入細(xì)胞之中，當(dāng)次要剪接體找到這個(gè)片段、開始工作時(shí)，科研人員就能把它連同片段一起提取出來。同時(shí)，科研人員改進(jìn)了后續(xù)的純化方式，使獲得的次要剪接體更加穩(wěn)定、更易被研究。
通過冷凍電鏡技術(shù)，科研人員重構(gòu)了這個(gè)次要剪接體的結(jié)構(gòu)，整體分辨率高達(dá)2.9埃，搭建了它的原子模型，包含了4條RNA和45個(gè)蛋白。這是世界上首個(gè)被解析的次要剪接體，相關(guān)工作已發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》上。
對(duì)次要剪接體的研究，才剛剛開始，未來需要做的工作還有很多。
一方面，科研人員需要獲取更完整的次要剪接體“全景圖”。2021年的研究成果“破譯”的僅僅是激活狀態(tài)下的次要剪接體，還需要逐步完成所有10種狀態(tài)的解析，進(jìn)一步探究其分子機(jī)理、調(diào)控通路及功能意義等。與破譯主要剪接體的“剪輯”類似，科研人員還需要更深度了解，次要剪接體究竟長(zhǎng)什么樣、如何工作，怎樣和主要剪接體“配合”，完成遺傳信息遞送中賦予它的使命。
了解這些原理后，科研人員和醫(yī)藥研發(fā)人員將能有針對(duì)性地設(shè)計(jì)靶向次要剪接體藥物。無論是這個(gè)大分子機(jī)器自身出了毛病，還是它剪錯(cuò)了，都能被及時(shí)糾正，從而使人類免于次要剪接體相關(guān)的癌癥和罕見病之苦。我們的科研團(tuán)隊(duì)希望能夠把次要剪接體的成果，更多地應(yīng)用到維護(hù)人類健康之中，目前已經(jīng)在進(jìn)行與藥物研發(fā)、疾病相關(guān)的研究。
與此同時(shí)，次要剪接體的版圖依然是“人跡罕至”的真空地帶，我們希望世界上更多的科研工作者能夠加入這一研究。為此，我們科研團(tuán)隊(duì)想先替大家解決最困難的部分——發(fā)明一種次要剪接體的體外研究活性體系，能方便地對(duì)次要剪接體開展實(shí)驗(yàn)，讓結(jié)構(gòu)、細(xì)胞、生化、分子等領(lǐng)域的科學(xué)家都參與到對(duì)次要剪接體的探索中來。
道長(zhǎng)且阻，這是基礎(chǔ)研究的常態(tài)，從0到1的開拓，沒有捷徑。基礎(chǔ)研究的成果要邁入技術(shù)應(yīng)用，也還需要經(jīng)年累月的不懈努力。但基礎(chǔ)研究取得創(chuàng)新性的點(diǎn)滴突破，人類對(duì)世界的認(rèn)知便向前躍進(jìn)了一步，期待這樣的突破奔涌而來。
（作者：萬蕊雪 白蕊，分別系西湖大學(xué)特聘研究員、副研究員，西湖大學(xué)徐珊協(xié)助整理）
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