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在细胞核内，一个被称为“剪接体”的分子机器负责将前体信使RNA（pre-mRNA）中的非编码内含子切除、编码外显子精确连接，生成成熟mRNA。 这一过程稍有差错，便可能产生功能异常的蛋白质，与癌症、神经退行性疾病等多种疾病相关。海德堡大学生物化学中心与复旦大学等机构的合作团队在 Cell Research 发表研究，首次揭示了两名关键的“质检员”——蛋白 GPATCH1 与 DHX35——如何在剪接体识别到错误剪接位点时介入，终止反应并清除缺陷底物，从而保障基因表达的精确性。

剪接体：动态装配的分子机器

剪接体由数十种蛋白质和小核RNA（snRNA）组成，在每个剪接位点处动态组装。其核心挑战是：必须精确识别外显子-内含子边界，在正确位置进行两次转酯反应，将内含子切除、外显子连接。

尽管剪接体的组装与催化机制已有较深入研究，但一个问题长期悬而未决：当剪接体识别到非正常剪接位点时，如何“放弃”该底物，避免产生错误mRNA？

真菌模型：捕获质量控制中间态

研究者选用了嗜热真菌 Chaetomium thermophilum 的剪接体作为研究对象。该真菌的剪接体组分在热稳定性、体外重构效率方面具有优势，便于分离瞬时存在的质量控制复合物。

通过巧妙设计带有非正常剪接位点的pre-mRNA底物，研究者成功捕获了剪接体在“质检”过程中的中间态复合物——这是首次在分子水平上观察到剪接体主动拒绝底物的具体步骤。

质检员登场：GPATCH1识别错误，DHX35清除底物

研究发现，当剪接体识别到缺陷型pre-mRNA时，两个关键因子迅速被招募：

1. GPATCH1（G-patch domain-containing protein 1）

   • 作为“传感器”，识别剪接体与错误底物形成的非正常构象；

   • 结合后促使剪接体在第一次转酯反应前停滞，终止进一步切割。

2. DHX35（DEAH-box helicase 35）

   • 在GPATCH1作用后，DHX35发挥RNA解旋酶活性；

   • 利用ATP水解提供的能量，将已结合的缺陷pre-mRNA从剪接体中剥离并清除；

   • 随后，剪接体自身解聚为单个组分，可重新组装用于下一轮正确剪接。

“当首次切割前出现问题时，这两个蛋白会赶到剪接体处作为质检员介入，”论文作者之一、海德堡大学博士后Paulina Fischer博士解释道。GPATCH1识别缺陷后，DHX35将不适应的前体mRNA剥离并清除，之后剪接体自身解体为独立组分，供新一轮剪接使用。

防止错误蛋白产生的最后防线

这一质量控制机制的重要性在于：它发生在剪接反应的最早阶段，在错误的外显子连接发生之前就终止了过程。

“作为细胞质检员，这两个分子控制因子阻止了可能由错误剪接产生的缺陷蛋白的合成，”Fischer强调。若缺乏该质检机制，非正常剪接位点可能导致外显子跳跃、内含子保留或移码突变，进而产生毒性蛋白或功能丧失。

结构生物学揭示分子互作细节

研究团队结合了冷冻电镜（cryo-EM） 与交联质谱等技术，解析了包含GPATCH1与DHX35的剪接体复合物的高分辨率结构。结构显示：

• GPATCH1通过其G-patch结构域与剪接体的特定组分相互作用，稳定了质检构象；

• DHX35的RecA样结构域结合ATP，其解旋酶活性被GPATCH1协同激活；

• 两者的协同作用在时空上紧密耦合，形成“识别-清除”双步骤质检回路。

临床意义：剪接缺陷相关疾病

剪接异常是多种疾病的重要驱动因素：

• 癌症：许多肿瘤中剪接因子突变（如SF3B1、U2AF1）导致致癌异构体产生；

• 遗传病：脊髓性肌萎缩症（SMA）由SMN蛋白缺陷导致剪接体组装异常；

• 神经退行性疾病：tau蛋白、TDP-43等剪接调控异常与阿尔茨海默病、额颞叶痴呆相关。

本研究揭示的GPATCH1/DHX35质检机制，为理解这些疾病中剪接错误如何被（或未被）校正提供了新视角。未来，调控该质检通路的活性或可作为治疗策略——例如增强质检功能以清除致癌剪接产物，或在特定情况下抑制质检以恢复部分功能蛋白的表达。

“我们的发现有助于更好地理解确保剪接过程准确性的机制，”项目负责人、海德堡大学Ed Hurt教授指出，“它们也具有临床意义，因为剪接缺陷与多种疾病相关，包括癌症、遗传病和神经退行性疾病。”

技术整合与未来方向

该研究整合了：

• 遗传学：在真菌中构建缺陷底物报告系统；

• 生物化学：分离瞬时存在的质检复合物；

• 结构生物学：高分辨率解析质检状态剪接体构象；

• 细胞生物学：验证同源蛋白在哺乳动物细胞中的保守功能。

未来研究方向包括：探索GPATCH1/DHX35在人类细胞中的调控网络、解析其他剪接质检通路（如NMD与剪接偶联）、以及开发针对剪接质检因子的化学探针。

参考信息
Reference: “Structural insights into spliceosome fidelity: DHX35–GPATCH1-mediated rejection of aberrant splicing substrates” by Yi Li, Paulina Fischer, Mengjiao Wang, Qianxing Zhou, Aixia Song, Rui Yuan, Wanyu Meng, Fei Xavier Chen, Reinhard Lührmann, Benjamin Lau, Ed Hurt and Jingdong Cheng, 28 February 2025, Cell Research.
DOI: 10.1038/s41422-025-01084-w