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为解决 LUC7 家族蛋白在 mRNA 剪接中的功能及机制问题，相关研究人员开展 LUC7 蛋白对 5′剪接位点（5′SS）调控的研究。结果发现其可调节 5′SS 亚类且功能保守。该研究对理解 mRNA 剪接和相关疾病机制意义重大，推荐科研读者阅读。
在神秘的细胞世界里，基因的表达就像一场精心编排的演出，而 mRNA 剪接则是这场演出中至关重要的环节。真核生物的蛋白质编码基因常常被非编码的内含子（一段不编码蛋白质的 DNA 序列）打断，这些内含子需要通过剪接体（由多种蛋白质和 RNA 组成的复合物，负责识别和切除内含子）的精准操作才能被正确切除，从而产生成熟的 mRNA。在剪接体组装的起始阶段，U1 snRNP（小核核糖核蛋白颗粒，是剪接体的重要组成部分）会通过 U1 snRNA 的 5′端与 5′剪接位点（5′SS，一段位于外显子和内含子边界的 9 个核苷酸序列，用于标记外显子 - 内含子边界 ）之间的 RNA:RNA 碱基配对，来识别潜在的内含子边界。
然而，科学家们发现，尽管 U1 snRNA 的 5′端几乎是不变的，但不同真核生物的功能性 5′SS 基序却存在很大差异，这意味着还有其他神秘的因素在帮助识别前体 mRNA 剪接底物。近年来，mRNA 剪接和细胞代谢之间的奇妙联系也逐渐浮出水面。研究发现，敲除红白血病细胞中 U1 snRNP 的某些成分，会促使细胞的能量代谢方式发生改变，比如更多地使用氧化磷酸化（OXPHOS，一种细胞产生能量的重要方式 ），这一现象引发了科学界的广泛关注。
在 U1 snRNP 的众多成分中，有一个名为 LUC7L2 的非组成性结合辅助因子格外引人注目。敲除 LUC7L2 不仅会导致细胞代谢出现明显变化，还会影响数百个外显子的剪接。而且，LUC7L2 的缺失或低表达与白血病和其他髓系肿瘤的发生发展密切相关。但是，LUC7 家族其他成员与 LUC7L2 之间有什么功能差异？它们在 mRNA 剪接过程中到底扮演着怎样的角色？这些问题就像一团团迷雾，笼罩着科研人员。
为了揭开这些谜团，来自相关研究机构的研究人员在《Nature Communications》期刊上发表了一篇名为 “LUC7 proteins regulate distinct 5′ splice site subclasses and have conserved functions across eukaryotes” 的论文。他们发现，LUC7 蛋白家族成员能够以一种可预测的、依赖 5′SS 序列的方式，广泛影响数千个外显子的剪接。不同的 LUC7 蛋白对两种主要的 5′SS 亚型有着不同的调控作用，并且这种调控功能在真核生物中高度保守。这一发现为理解 mRNA 剪接的调控机制以及相关疾病的发生发展提供了全新的视角，具有极其重要的意义。
研究人员在这项研究中运用了多种先进的技术方法。他们通过分析 RNA 测序（RNA-seq）数据，观察 LUC7 家族基因敲除或敲低后外显子剪接的变化情况；构建了 “5′SS Balance score” 和 “LUC7 Score” 等指标，对 5′SS 的特征进行量化分析；利用定点突变技术，改变 5′SS 序列，研究其对剪接的影响；还进行了结构域交换实验，探究 LUC7 蛋白不同结构域的功能；通过进化分析和对拟南芥突变体的研究，揭示 LUC7 蛋白功能的保守性。
下面我们详细看看研究人员都有哪些重要发现：
- LUC7 家族成员影响不同的 5′SS 亚类：研究人员注意到，酵母中 Luc7 蛋白的第二个锌指结构域（yLuc7p-ZnF2）在与 5′SS 结合时，会和 U1 snRNA 的磷酸二酯骨架形成盐桥。而人类的 LUC7 家族有三个成员，它们虽然都有两个 N 端锌指结构域，但 LUC7L3 的第二个锌指结构域（LUC7L3-ZnF2）与其他两个成员差异很大。研究人员推测，这种差异可能导致它们的结合或调控靶点不同。于是，他们分析了人类细胞中相关基因敲除或敲低后的 RNA-seq 数据，发现受 LUC7 家族成员影响的外显子，其 5′SS 强度与未受影响的外显子相比，要么没有显著差异，要么差异极小。然而，这些外显子的 5′SS 序列组成却有着明显不同。比如，LUC7L2 敲除后，更多被跳过的外显子在 5′SS 基序的内含子侧 + 3、+4、+5 和 + 6 位置与共有序列匹配度更高；而 LUC7L3 敲低后，情况则相反。为了更准确地衡量这种差异，研究人员设计了 “5′SS Balance score”，这个分数可以反映 5′SS 两侧共有碱基的分布情况。结果发现，大约 20% 的人类外显子 Balance ≤ –2，约 15% 的外显子 Balance?≥?+2，这表明 “左手型”（LH）和 “右手型”（RH）5′SS 亚类在人类外显子中大量存在且相对稳定。
- 5′SS Balance 可预测对 LUC7L2 和 LUC7L3 的敏感性：研究人员通过评估 5′SS Balance 与 LUC7 敲低后外显子剪接变化的关系，发现 5′SS Balance 能很好地预测剪接变化。LUC7L2 促进 RH 5′SS 外显子的剪接，抑制 LH 5′SS 外显子的剪接；LUC7L3 则正好相反。他们在过表达 LUC7 家族成员的实验中也得到了类似的结果。此外，研究人员还通过测量 LUC7 蛋白对 5′SS 9mer（跨越 - 3 到 + 6 位置的 9 个核苷酸序列）富集的影响，确定了受每个 LUC7 蛋白影响的 5′SS 基序。他们定义了 “LUC7 Score”，这个分数与 5′SS Balance 高度相关，并且能更好地预测外显子剪接变化的方向，还能捕捉到更多的序列特征。
- LUC7 家族成员通过 RH 5′SS 相互调节剪接：许多剪接调节因子会通过剪接来负向调节自身基因的表达，并且常常被其旁系同源物通过相同的外显子进行负向交叉调节。LUC7 家族也存在这种现象，比如 LUC7L2 会促进 LUC7L 中一个导致提前终止密码子（PTC）的外显子的包含，从而抑制 LUC7L 的表达。研究人员发现，LUC7L2 的一个高度保守的可变第二外显子（AE2）与 LUC7L 的 PTC 外显子在核苷酸水平上有 82% 的同一性，暗示它们有共同的进化起源。通过构建迷你基因实验，研究人员发现 LUC7L 和 LUC7L2 的过表达会促进 LUC7L 中 PTC 外显子的包含，而 LUC7L3 的过表达则会抑制 LUC7L 和 LUC7L2 中负调控外显子的包含。当把 LUC7L2 AE2 的 RH 5′SS 换成 LH 5′SS 后，其剪接调控作用消失，甚至会受到 LUC7L3 的正向调控。在对其他基因的 5′SS 进行突变实验时，也得到了类似的结果，这表明 5′SS 的 “手性” 是 LUC7 家族成员调控的关键决定因素。
- CLIP 实验显示对 RH 5′SS 的特异性由 LUC7 N 端结构域赋予：研究人员假设 LUC7L2 对 RH 5′SS 的正向调控是通过直接稳定 U1 snRNP 与 RH 5′SS 的相互作用实现的。通过分析已发表的 eCLIP 数据，他们发现 LUC7L2 主要与 5′SS 和 3′SS 上游约 25 nt 的区域交联，并且与 RH 5′SS 的交联更多。为了探究 LUC7 蛋白特异性的决定因素，研究人员构建了嵌合蛋白，将 LUC7L2 或 LUC7L3 的结构化 N 端区域与另一个蛋白的 C 端无序区域融合。结果发现，LUC7L2 的 N 端区域与 LUC7L3 的 C 端区域融合后，对 LH 和 RH 5′SS 外显子的剪接影响与 LUC7L2 过表达相似；而 LUC7L3 的 N 端区域与 LUC7L2 的 C 端区域融合后，则会抑制 RH 5′SS 外显子的包含。这表明 LUC7L2 和 LUC7L3 的结构化 N 端区域足以决定对 LH 和 RH 5′SS 的总体抑制 / 激活模式。
- LUC7L2 低表达的急性髓系白血病（AML）具有独特的剪接和表达模式：LUC7L2 基因的缺失与髓系肿瘤的发生密切相关，比如在急性髓系白血病（AML）中，部分样本存在 LUC7L2 基因座的缺失。研究人员发现，LUC7L2 低表达的 AML 样本中，RH 5′SS 外显子的剪接效率相对较低，这与之前在 LUC7L2 敲低的人类细胞系中的结果一致。基因集富集分析显示，LUC7L2 低表达的 AML 样本中，与氧化磷酸化、细胞周期和 DNA 损伤修复等相关的基因表达增加。此外，研究人员还发现，在其他一些癌症中，LUC7L2 和 LUC7L3 基因的拷贝数也存在变化，这可能会影响 5′SS 的选择和肿瘤的发生发展。
- 进化上相关的 Luc7 蛋白对 5′SS 亚类具有保守的特异性：研究人员通过搜索同源蛋白和进行多序列比对，发现 Luc7 家族基因非常古老，并且存在两个主要的亚家族，分别由 LUC7L2 和 LUC7L3 代表，这两个亚家族在动植物分化之前就已经存在。拟南芥中有三个 Luc7 基因，研究人员对拟南芥的各种突变体进行 RNA-seq 和差异剪接分析，发现拟南芥的 LUC7 蛋白与人类的 LUC7 蛋白在 5′SS 特异性上具有相似性。比如，拟南芥中 LUC7A 和 LUC7B 基因的双突变体，其跳过的外显子中强烈偏向于 RH 5′SS，类似于人类 LUC7L2 缺失的情况；而 LUC7RL 突变体则在跳过的外显子中呈现出与人类 LUC7L3 类似的趋势。虽然人类和植物的 LUC7 蛋白对 5′SS 亚类的影响总体相似，但也存在一些物种特异性差异。
- LUC7L3 亚家族的缺失与 5′SS 组成的改变相关：由于大多数真菌没有 LUC7L3 同源物，研究人员推测 LUC7L3 亚家族可能在真菌进化早期就丢失了。通过分析 33 种真核生物的 5′SS 组成，他们发现植物、动物和真菌的 5′SS 具有不同的模式。植物和动物（除了部分原口动物）的 LH 和 RH 5′SS 频率大致相等，而现代真菌中 RH 5′SS 更为普遍。有趣的是，早期分化的真菌子门毛霉门中有 LUC7L3 - 型基因，并且其 LH 5′SS 的比例比其他真菌更高。这表明 LUC7 亚家族和 5′SS 亚类之间可能存在长期的共同进化。
综合这些研究结果，研究人员得出结论：在动物和植物中，LUC7L2/LUC7L 和 LUC7L3 在剪接调控中发挥着重要作用，它们通过调节对不同 5′SS 亚类的识别来影响 mRNA 剪接。虽然 LUC7 蛋白影响前体 mRNA 剪接反应的具体机制还不完全清楚，但研究人员更倾向于一种 U1 稳定模型，即 LUC7L/LUC7L2 的结构化区域稳定 U1 与 RH 5′SS 的相互作用，LUC7L3 的结构化区域稳定 U1 与 LH 5′SS 的相互作用，进而影响 5′SS 的选择。当然，也存在另一种可能，即 LUC7L/LUC7L2 和 LUC7L3 分别优先破坏与 LH 和 RH 5′SS 的相互作用。
这项研究具有重要的意义。它揭示了 LUC7 蛋白家族在 mRNA 剪接调控中的关键作用，为理解真核生物的基因表达调控机制提供了新的线索。研究发现的 5′SS 亚类与 LUC7 蛋白之间的关系，有助于解释不同物种间剪接位点基序的差异，以及一些实验结果在人类和真菌之间的差异。此外，研究结果还为开发基于剪接调控的治疗方法提供了理论基础，比如可能会影响稳定 U1 snRNP:5′SS 相互作用的小分子的特异性，并且针对 RH 5′SS 识别的剪接治疗方法可能对特定的 AML 患者更有效。这一研究成果就像一把钥匙，为我们打开了一扇通往更深入了解基因表达调控和疾病治疗的大门，相信在未来，它将为生命科学和医学领域带来更多的突破和惊喜。
