自然·通讯：除了酿酒、做面包，酿酒酵母还藏着这种“基因秘密”……

酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）是一种微小却极其重要的单细胞真菌，被誉为“微生物界的明星”。这种不起眼的微生物在我们的日常生活和科学研究中扮演着至关重要的角色。

酿酒酵母早在几千年前就已经被人类所利用，它是啤酒、葡萄酒和面包等发酵食品的关键成分。人们将这种酵母加入麦芽汁或葡萄汁中，通过发酵过程将糖转化为酒精和二氧化碳，从而酿造出香醇的啤酒和美味的葡萄酒。在面包制作中，酵母产生的二氧化碳使面团膨胀，烘烤后形成松软的面包。

除了在食品工业中的重要地位，酿酒酵母在科学研究中也具有无可替代的价值。作为模式生物，酿酒酵母在基因学、细胞生物学和生物化学等领域的研究中发挥了巨大作用。它的基因组已被完全测序，使得科学家能够详细研究其基因功能和调控机制。它的快速生长和简单的遗传操作，使其成为研究细胞周期、DNA修复、代谢途径和蛋白质折叠等过程的理想模型。无论是在实验室的培养皿中，还是在酿造啤酒的发酵罐中，酿酒酵母都以其卓越的性能和广泛的应用前景，继续影响着我们的生活和未来的发展。

RNA剪接是一个真核生物中特有的过程，其中基因组中转录得到的mRNA前体通过剪接体的作用去除内含子，并连接外显子，生成成熟的mRNA。U1 snRNP是剪接体中的第一个小核核糖核蛋白（snRNP），在识别和绑定5'剪接位点方面发挥重要作用。

为了进一步了解这种神奇的微生物，来自加州大学洛杉矶分校（UCLA）的周正洪教授团队及其合作者在Nature communications上发表文章CryoEM structure of Saccharomyces cerevisiae U1 snRNP offers insight into alternative splicing，通过冷冻电子显微镜以3.6Å的分辨率解析了酿酒酵母U1 snRNP结构，为理解U1 snRNP在RNA剪接及选择性剪接中的具体作用机制提供了宝贵的结构信息。研究成果为深入了解RNA剪接机制及其在基因表达调控中的作用提供了重要数据，不仅对基础生物学研究具有重要意义，还可能为相关疾病（如遗传病和癌症）的治疗策略提供新的思路。

U1 snRNP由U1 snRNA和多个蛋白质亚基组成，文章通过CryoEM技术解析了酿酒酵母U1 snRNP的高分辨率结构，详细揭示了其各个组成部分的空间排列和相互作用。

U1 snRNA是U1 snRNP的核心成分，负责识别和绑定5'剪接位点。CryoEM结构显示，U1 snRNA在U1 snRNP的整体结构中处于中心位置，并与多个蛋白质亚基相互作用。蛋白质亚基包括Snp1、Prp39、Prp40、Luc7、Mud1、Yhc1和U1-C蛋白，这些亚基各自具有独特的结构域和功能，协同工作以确保U1 snRNP的正确组装和功能。Snp1、U1-C与U1 snRNA的5'端形成稳定的复合物，确保U1 snRNP能够有效识别和绑定5'剪接位点。CryoEM结构显示了Snp1和U1-C的相对位置及其与U1 snRNA的相互作用。Prp39和Prp40在U1 snRNP的整体结构中起到支撑和稳定作用,通过与其他蛋白质亚基和U1 snRNA的相互作用，维持U1 snRNP的结构完整性。

图1：U1 snRNP的总体结构

a. 用于冷冻电镜结构测定的纯化酵母U1 snRNP样品在SDS-PAGE上进行了分析，其蛋白质组分通过质谱分析鉴定。样品还通过溶液杂交分析，以证明样品中存在U1 snRNA。

b. 酵母U1 snRNP的冷冻电镜图，每个组分的密度图以不同颜色显示。

c. 3.6 Å冷冻电镜密度的示例，内置有原子模型。

d. 酵母U1 snRNP的模型，每个蛋白质以不同颜色表示。

CryoEM结构显示，U1 snRNA与多个蛋白质亚基紧密相互作用，这些相互作用对于U1 snRNP的组装和功能至关重要。U1 snRNA的5'端是识别和绑定5'剪接位点的关键区域。U1 snRNA的内部序列和二级结构在U1 snRNP的整体结构中起到支撑和调控作用。

除了与U1 snRNA的相互作用外，各个蛋白质亚基之间也存在广泛的相互作用。这些相互作用确保U1 snRNP的正确组装，并调控其功能。Prp42、Prp39 将辅助蛋白连接到核心，Prp42（544个残基）是酵母U1 snRNP的核心组分，与所有可见的辅助蛋白相互作用，并将它们连接到U1核心。Prp42包含多个四肽重复序列，这种34残基的基序形成了一对反平行的α螺旋A和B，串联的TPR形成右手螺旋样结构，通常参与蛋白质–蛋白质相互作用。Prp39（629个残基）与Prp42具有很强的序列同源性，两者被认为是酵母基因复制事件产生的旁系同源物。Prp39具有与Prp42非常相似的整体结构，带有一个额外的约70个残基的C端延伸。Prp42和Prp39的C端TPR结构域广泛相互作用，两者使用由螺旋A组成的面形成一种异二聚体结构。

图2：酵母辅助蛋白Prp42、Prp39和人类PrpF39的结构及相互作用

a. Prp42的N端TPR结构域广泛地与U1C的C端结构域相互作用，并在较小程度上与U1 snRNA的SL3-4和SL2-2相互作用。

b. 携带ΔSL2-2的酵母菌株在30°C和22°C下的生长略逊于野生型（WT），在37°C下不可存活。携带U1C-CTD缺失的酵母菌株在FOA平板上移除WT U1C后不可存活。

c. 左图展示了Prp39和Prp42具有相似的整体结构，并通过它们的C端TPR结构域相互作用；右图展示了纯化的人类PrpF39的负染色图像的代表性2D类平均图，其尺寸和形状与Prp42/Prp39异二聚体高度相似。

U1 snRNP是剪接体组装的第一个步骤，它通过识别和绑定mRNA前体的5'剪接位点，促进其他snRNP的招募和剪接体的组装，CryoEM结构揭示了U1 snRNP在这一过程中发挥的重要作用。

U1 snRNA的5'端与mRNA前体的5'剪接位点形成互补配对，从而精确识别剪接位点。Snp1和U1-C与U1 snRNA的5'端相互作用，增强了这一识别过程的稳定性和特异性。U1 snRNP的正确组装和5'剪接位点的识别是剪接体组装的关键步骤，U1 snRNP的整体构象和各个亚基的相对位置为其他snRNP和剪接体组分的招募提供了必要的结构基础。

图3：酵母辅助蛋白Nam8、Snu56和Luc7的结构及相互作用。

a. Nam8、Snu56和Luc7相对于Prp42、Prp39和U1C的位置关系。

b. Snu71 + Prp40（通道1）或Snu71 + Prp40 + Luc7（通道2）可以在酵母中共表达，并使用在Prp40上的蛋白A标签作为复合物进行纯化。

c. 通过质谱分析纯化的U1 snRNP，使用BS3交联揭示了蛋白质之间的交联肽段。

真核生物能够对多个不同内含子进行选择性剪接，其调控涉及多个剪接位点的精确选择。而U1 snRNP能够通过调节与不同剪接位点的结合亲和力，影响剪接位点的选择。U1 snRNA的5'端和其相关蛋白质亚基的相互作用界面可能在这一过程中起到关键作用，U1 snRNP的结构和构象变化可能调控剪接效率和特异性，例如U1 snRNP的特定构象可能增强或抑制特定剪接位点的识别，从而影响剪接的选择。剪接调控因子（如SR蛋白和hnRNPs）通过与U1 snRNP及其相关组分相互作用，调控替代剪接的过程。CryoEM结构提供了这些调控因子的可能作用位点和机制，有助于理解替代剪接的复杂调控网络。

人类的Prp39形成同源二聚体，并直接与U1C-CTD（C-端结构域）相互作用，这与酵母中Prp42/PrpF39的相互作用类似。此相似性表明酵母U1 snRNP可以作为人类U1 snRNP的模型，帮助理解其功能和相互作用。在人类细胞中，选择性剪接因子（如TIA1、Luc7L、PrpF40和RBM25，以及可能是Snu56的功能同源物）通过其RNA结合结构域与pre-mRNA结合，并可能以类似于酵母U1 snRNP的方式与U1 snRNP相互作用，促进U1 snRNA与5'剪接位点的结合，这些因子的结合确保了剪接位点的准确选择。虽然一些选择性剪接因子可以直接与U1 snRNP的核心组分相互作用，但PrpF39在这些因子与核心U1 snRNP的结合中可能起主要作用。这是因为PrpF39具有广泛的相互作用界面，能够与多个选择性剪接因子结合，类似于在酿酒酵母U1 snRNP结构中观察到的相互作用。PrpF39自身也可能通过其N端TPR结构域与pre-mRNA相互作用，作为一个独立的选择性剪接因子。这种多功能性表明PrpF39在选择性剪接中发挥了重要的调控作用。

图中展示了酵母U1 snRNP中Prp42/PrpF39与U1C-CTD的相互作用，这些相互作用为理解人类U1 snRNP中类似的相互作用提供了模型。通过这种比较，研究者可以推测人类U1 snRNP中的PrpF39也会以相似的方式与U1C-CTD和其他剪接因子相互作用。模型有助于理解替代剪接因子如何在细胞中识别和结合pre-mRNA，从而调控剪接位点的选择，通过比较酵母和人类U1 snRNP的相似性可以更好地理解剪接体的组装和功能。

图4：酵母U1 snRNP可以作为选择性剪接因子与人类U1 snRNP结合的模型

在人类细胞中，选择性剪接因子如TIA1、Luc7L、PrpF40和RBM25（以及可能是Snu56的功能同源物）通过其RNA结合结构域与pre-mRNA结合，并可能以与酵母U1 snRNP相同的方式与U1 snRNP相互作用，从而促进U1 snRNA与5'剪接位点的结合。PrpF39在促进这些因子与核心U1 snRNP的结合中可能起主要作用，类似于在酵母U1 snRNP结构中观察到的相互作用。PrpF39自身也可能通过其N端TPR结构域与pre-mRNA的相互作用，作为一个独立的替代剪接因子发挥作用。

这项研究通过冷冻电子显微镜技术解析了酿酒酵母U1 snRNP的高分辨率结构，为理解U1 snRNP在RNA剪接中的具体机制提供了重要数据。了解U1 snRNP的精确结构和作用机制，有助于揭示RNA剪接体的整体功能及其在基因表达调控中的作用，对于研究RNA剪接的基本原理和机制具有重要意义。此外，RNA剪接异常与多种疾病（如脊髓性肌萎缩症、家族性高胆固醇血症、乳腺癌、肺癌等）密切相关，深入了解U1 snRNP的结构和功能有助于识别这些疾病的潜在分子机制，从而开发新的治疗策略，例如针对特定U1 snRNP亚基或其相互作用界面的药物可能用于纠正RNA剪接异常。U1 snRNP的结构信息还可以用于开发新的生物技术工具。通过设计人工U1 snRNP或其功能模拟物，可以实现对特定基因的选择性剪接调控，从而在基因治疗和基因工程中发挥作用。

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