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『重庆科技馆』剪接体分子机器和信使RNA前体剪接循环


『重庆科技馆』剪接体分子机器和信使RNA前体剪接循环
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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
本期动画视频是世界一流的科学可视化专家DanNowakowski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 。


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