生物行移动版

近40年来，科学家一直知道锥虫科寄生虫依赖一套不同寻常的RNA加工系统来生存。如今，研究人员以近原子分辨率捕捉到了这台分子机器的运作画面，首次清晰展示了其组分在寄生虫存活所必需的反应中如何组装与协同工作。这项由比利时列日大学与洛克菲勒大学合作完成的研究，重建了反式剪接体（trans-spliceosome）的三维结构——这是一台负责为锥虫细胞内遗传信息“做好使用准备”的巨大分子机器。相关成果发表于《自然·通讯》。

锥虫科包括引起利什曼病、昏睡病和恰加斯病的病原体，全球有数百万人受这些疾病影响。现有治疗手段常受限于毒性、疗效不彻底以及耐药性。此外，相关寄生虫还会感染牲畜和植物，造成农业和经济损失。

为何锥虫离不开反式剪接？

与人类细胞类似，锥虫在合成蛋白质之前，需要先将DNA中的遗传信息转录为RNA。新生成的信使RNA（mRNA）必须经过加工才能使用。在常规RNA剪接中，细胞机器会切除被称为内含子的片段，并将剩余的RNA序列连接起来。但锥虫依赖一种截然不同的过程。

“锥虫使用一种非常特殊的加工形式，称为剪接前导RNA反式剪接（Spliced Leader RNA trans-splicing），”列日大学RNA结构生物学与生物化学实验室主任、生物学家Arnaud Vanden Broeck解释道。“在这些生物中，常规的内含子剪接极为罕见。相反，几乎所有的信使RNA都会在5'端接受同一段短RNA序列，即SL RNA。这一步对于其RNA成熟乃至细胞功能都至关重要。”

执行这一RNA修饰的正是反式剪接体。尽管科学家早在几十年前就发现了这台机器，但其详细组织结构以及各组分之间的协调方式一直难以解析。“我们此前并不确切知道它的各个组分是如何组织的，也不知道它们如何协同完成这一反应，”Vanden Broeck说。“为了获得这台机器工作状态下的高分辨率快照，我们使用了冷冻电镜（cryo-EM），该技术通过极快速冷冻分子，再从数十万张图像中重建其三维结构。”

冷冻电镜捕捉反应两个连续阶段

借助冷冻电镜，研究人员捕获了该反应的两个连续阶段。其中一个结构展示了SL RNA附着到信使RNA上的时刻；第二个结构则捕捉了反应刚刚完成后的机器状态。这些重建结果揭示了RNA分子在反式剪接体内部的定位方式，以及机器核心组分在反应过程中的排列。研究还阐明了若干存在于锥虫但人类缺失的蛋白质的功能。

“尽管与我们自身细胞中的剪接机器存在一些相似之处，但反式剪接体拥有许多独特的适应性变化。”这些适应性变化表明，一种古老的RNA加工机器在锥虫中被重塑，从而能够大规模执行反式剪接。由于该过程对寄生虫至关重要，且与人类RNA加工存在显著差异，其中一些寄生虫特异性组分可能成为未来药物开发的靶点。不过，识别结构差异只是第一步，仍需进一步确定特定分子能否被安全且有效地靶向。

这些近原子结构为研究人员提供了详细的分子框架，可用于研究反式剪接体的工作机制以及如何破坏其各个组分。此类结构信息有助于科学家识别结合位点，并测试旨在干扰寄生虫特有蛋白质或RNA相互作用的化合物。

“除了推进我们对生命演化的基础理解之外，我们的研究还为设计能够特异性破坏寄生虫中这台机器、同时不伤害人类细胞的分子提供了具体基础，”Arnaud Vanden Broeck总结道。