信使RNA选择性拼接机制破译

生物通报道：选择性拼接过程出错，会引发癌症、神经系统疾病。Nova蛋白通过调节选择性拼接（alternative splicing）过程，帮助脑细胞产生一系列突触信号传递或神经元之间连接所需蛋白。霍华德休斯医学院（HHMI）研究人员Robert B. Darnell与洛克菲勒大学研究人员合作研制的这种图谱，描述了控制Nova蛋白活性的规律。研究结果刊登于10月25日电子版《Nature》。

　　

生物通报道：霍华德休斯医学院（HHMI）研究人员利用多年积累的实验室研究数据和先进的生物信息学技术，研制出一种图谱，展示大脑产生特异类型蛋白的机制。

 

选择性拼接过程出错，会引发癌症、神经系统疾病。Nova蛋白通过调节选择性拼接（alternative splicing）过程，帮助脑细胞产生一系列突触信号传递或神经元之间连接所需蛋白。霍华德休斯医学院（HHMI）研究人员Robert B. Darnell与洛克菲勒大学研究人员合作研制的这种图谱，描述了控制Nova蛋白活性的规律。研究结果刊登于10月25日电子版《Nature》。

 

肌体中的所有细胞都使用同一套基因编码指令，脑细胞特别依赖于选择性拼接过程去产生其功能所需的特异蛋白。选择转录得到的零碎的RNA片段，并且拼接起来成为一个可以编码目的蛋白的模板，这种过程在从果蝇到人类的所有细胞中都存在。利用选择性拼接过程形成不同的蛋白翻译模板，单一基因能够产生各种形式的有时可达上千的蛋白。

 

选择性拼接过程成为研究热点，部分原因在于这种现象能够用于解释：为何与果蝇、线虫等低等生物有相似规模基因组的人类却是如此复杂。“利用我们所拥有的20，000个基因控制如此大量的复杂事件，需要一种机制。”同时，越来越多的实验显示选择性拼接在神经系统疾病等疾病中扮演重要角色。比如，选择性拼接出错会导致囊肿性纤维化，以及共济性失调、孤独症等神经系统疾病。

 

在大多数生物的基因组中，合成蛋白的DNA模板含有内含子。当翻译过程开始时，内含子与编码蛋白的外显子DNA片段一起被转录为前体信使RNA。在前体信使RNA被作为翻译蛋白的模板时，细胞切除内含子剪切，得到编码蛋白的最终成熟模板。在进行选择性拼接的基因中，比如50％以上的人类基因——某些外显子也会被剪切掉。一个外显子否能够保留下来在不同的细胞类型中或者不同的转变条件下，各不相同，最终决定了表达的蛋白不同。

 

为了确保外显子在RNA分子被正确的保留或者切掉，Nova等调节分子对整个选择性拼接过程进行监控。

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Darnell实验室发现Nova蛋白缺陷会发展为副肿瘤综合症（paraneoplastic），这足以显示Nova在神经系统中的关键作用。“Nova缺陷患者似乎抑制性神经传递发生障碍——动作过于频繁、眼部动作过多。” Darnell实验室得到的缺乏Nova小鼠模型也存在相似的病状。

 

选择性拼接过程经常处于严密监视下，许多剪接因子发挥作用。是谁告诉这些调节者怎样确认一个外显子的命运，并告诉细胞对其进行保留、切除的？这种机制还不是很清楚。Darnell说，即使是这些调节者在人类大脑中的工作机制都知之甚少。

 

Darnell实验室先前已经证实Nova蛋白作用于带有YCAY丛集（YCAY cluster）特征序列的RNA分子。相同序列会引发Nova对外显子进行剪接，对某些外显子不进行剪接。RNA上的YCAY丛集预示着Nova帮助此RNA进行拼接，但Nova是否能够开启或者关闭拼接过程，还无法获知。Darnell说相似的结果在实验室培养细胞的其它拼接分子中发现过。

 

Darnell及其同事开始时通过研究三个Nova调控的RNA分子，鉴定YCAY丛集。为了弄清Nova怎样发挥功能，需要对更多的分子进行观察。在2005年发表的一篇文章中，研究小组将有Nova和没有Nova情况下的小鼠RNA外显子选择性拼接进行对比，发现拼接过程受Nova影响的50个靶标RNA。

 

Darnell实验室研究生（后来是Darnell实验室博士后）Jernej Ule进一步发现，与起初的三个Nova靶标相似，这50种分子都包含YCAY丛集。Darnell说他们发现，Nova决定外显子的去留与YCAY丛集的位置之间有绝对关系。”假如YCAY丛集位于选择性拼接的外显子内部，或者位于此外显子上游内含子中，Nova引发最终信使RNA模板切除此外显子；假如YCAY丛集位于选择性拼接外显子的下游内含子中，Nova促进此外显子保留下来。伴随这些结果，研究人员总结出RNA“图谱”——描述Nova在RNA预模板上的工作机制。

 

 “假如我们对脑部选择性剪接转录本（alternatively spliced transcripts ）一无所知，盲目寻找那些具有Nova—基础的丛集，我们能够预知它们是否受到Nova调控吗？假如是的话，它们又是否符合图谱呢？” Darnell 说。洛克菲勒大学研究人员Terry Gaasterland提供了大量选择性剪接外显子的有关数据，研究小组在其中寻找YCAY丛集。最终鉴别、确定出25个Nova靶标，并且发现这25个靶标确实是受到Nova精确调控，调控机制与图谱上的规律一致。

 

Darnell 实验室研究生Giovanni Stefani（后来是Darnell实验室博士后）利用生化研究发现，Nova在选择性拼接中的作用的原理是物理上阻止或促进——依据其位于或者靠近选择性拼接外显子——这种组装在一起的大蛋白复合体（被称为剪接体，spliceosome），负责RNA的拼接过程。Darnell 说：“这张RNA图谱告诉我们Nova的捆绑机制是不对称的，这种不对称决定了拼接后果。”

 

“通过生物化学和遗传学手段获得的复杂生物资料建立起来的图谱，使我们能全面掌握Nova的工作机制，” Darnell说我们首次弄清了一个剪接因子工作于全部靶标的工作机制。除了关于Nova功能，此研究对于其它剪接因子的细节研究提供了一个参考，有助于剪接过程的生物学机制研究和剪接过程相关疾病的研究。（生物通记者 子元）