作者：萬(wàn)蕊雪 白蕊（分別系西湖大學(xué)特聘研究員、副研究員，西湖大學(xué)徐珊協(xié)助整理）

　　如果把微觀(guān)生命活動(dòng)比作一部電影，那么這部精密而復雜的“影片”就是由無(wú)數蛋白質(zhì)各司其職上演的，它們影響著(zhù)生命體的健康。而“指揮”這些蛋白質(zhì)、讓它們執行各種功能的，就是基因。而在基因塑造生命的過(guò)程中，有個(gè)隱秘而偉大的遺傳“剪輯師”——次要剪接體。

　　1.每一次剪接，都關(guān)乎細胞“命運”

　　剪接體的故事，要從一條生命體的核心規則——“中心法則”說(shuō)起。

　　什么是中心法則呢？我們已經(jīng)知道，基因控制著(zhù)生命活動(dòng)的方方面面，但基因并不能直接對蛋白質(zhì)發(fā)布“指令”，而是需要歷經(jīng)遺傳信息的傳遞。基因是DNA上攜帶遺傳信息的片段，這些遺傳信息被傳遞給RNA，再由RNA轉化為有實(shí)質(zhì)性功能的蛋白質(zhì)。這樣一來(lái)，基因中的信息就得到了表達。這條標準化的“流水線(xiàn)作業(yè)”，就叫作“中心法則”。

　　我們可以把這個(gè)“流水線(xiàn)”想象成多人傳話(huà)的游戲——一句簡(jiǎn)單的話(huà)，在歷經(jīng)人與人的傳遞后，很可能會(huì )走樣。那么，保持其準確、有序、精煉，就成為最關(guān)鍵的一步——形成“正確”的RNA，也就是RNA剪接。

　　此時(shí)，就該剪接體登場(chǎng)了——DNA輸送來(lái)的“原始影片素材”，也就是遺傳信息，實(shí)際上是“雜亂無(wú)章”的，而剪接體就像一位經(jīng)驗豐富的電影“剪輯師”，它會(huì )精確完成以下工作——篩選出包含遺傳信息的、需要的片段（即“外顯子”）和多余無(wú)用的片段（即“內含子”），把無(wú)用的片段剪掉后，再把有用的片段按特定的順序連接起來(lái)。由此，正確的RNA就形成了，信息才能進(jìn)入下一步的蛋白質(zhì)轉化。

　　剪掉哪段、剪掉多少長(cháng)度、什么時(shí)候剪、如何拼接……電影的剪輯方式和順序會(huì )影響最終呈現效果，剪接體的工作也是如此。通過(guò)剪接體的“排列組合”后，有限的基因組能有更多的編碼形式，從而形成更多種類(lèi)的蛋白質(zhì)——這就解釋了，為什么人體只有兩萬(wàn)多個(gè)基因，但蛋白質(zhì)卻有幾十萬(wàn)種。由此可見(jiàn)，剪接體的每一步操作，都關(guān)乎細胞的“命運”。

　　2.次要剪接體，關(guān)鍵的“限速”步驟

　　你可能已經(jīng)意識到，剪接體是生物體內不可或缺的存在。從量級上來(lái)看，亦是如此，它確實(shí)是“大家伙”——它由幾十到幾百種蛋白質(zhì)和5條RNA動(dòng)態(tài)組合而成，被教科書(shū)稱(chēng)為“細胞里最復雜的超大分子復合物”。

　　可是，在這樣無(wú)法忽視的存在中，偏偏就有一個(gè)被誤讀和忽視的身影——次要剪接體。剪接體分為主要剪接體和次要剪接體，因被冠名“次要”，大家往往望文生義，認為它是不重要的剪接體。

　　事實(shí)上，主要剪接體和次要剪接體的功用相似，都是RNA剪接中缺一不可、相互配合的“剪輯師”搭檔。從重要性上講，二者并無(wú)差別。

　　它們的不同之處在以下兩個(gè)方面。第一，二者所識別的“多余無(wú)用片段”內含子不同。主要剪接體識別的是人體內99%以上的內含子，占比較多；次要剪接體瞄準的是在體內含量不足1%的稀有內含子，占比較少。第二，它們的RNA和蛋白質(zhì)組成存在較大差異。

　　截至目前，科學(xué)家們尚未具體搞清楚它們二者是如何配合的，但它們所主導的兩條“剪輯”通路，一定是通力協(xié)作的。

　　說(shuō)起來(lái)，次要剪接體被發(fā)現，也比主要剪接體晚得多。1979年，基因剪接現象已經(jīng)被學(xué)界所發(fā)現，隨之發(fā)現了剪接體，可直到20世紀90年代，次要剪接體才“姍姍來(lái)遲”，才有了“主要”和“次要”的分別。科學(xué)家們發(fā)現，有一類(lèi)“多余無(wú)用”的片段（內含子）和以往熟悉的經(jīng)典序列不同，隨之發(fā)現它們被一類(lèi)新的剪接體所剪接。新發(fā)現的這類(lèi)內含子占比稀少，故被稱(chēng)作稀有內含子，相對應的剪接體，即被命名為次要剪接體。

　　盡管“露面”較晚，次要剪接體卻隱秘而偉大。它所剪輯的內含子，分布在許多重要基因之中，因此這條次要剪接體通路，在許多基本的生命活動(dòng)中起到重要作用。此外，越來(lái)越多的研究表明，次要剪接體“剪”的速度，決定了RNA能不能，以及何時(shí)能往下轉化為蛋白質(zhì)，是中心法則中關(guān)鍵的“限速”步驟。

　　3.剪接體出錯，引發(fā)癌癥及罕見(jiàn)病

　　如果電影剪輯師生病了，或者不在狀態(tài)，會(huì )怎么樣？電影可能會(huì )成片錯亂無(wú)章、沒(méi)有美感。要是遺傳信息“剪輯師”—剪接體出了問(wèn)題，麻煩就大了。

　　剪接體出錯，不外乎兩種原因。其一，剪接體作為大分子機器，自己身上出了問(wèn)題；其二，剪接體的行為出了問(wèn)題，“剪”錯了。無(wú)論是哪一種情況都很棘手，因為遺傳信息將無(wú)法正確傳遞、不能合成準確的蛋白質(zhì)、更無(wú)從完成生命活動(dòng)……這些情況都是引發(fā)疾病的隱患。

　　研究表明，盡管占比較少，但次要剪接體的異常與許多人類(lèi)疾病息息相關(guān)，主要是癌癥和罕見(jiàn)病。在癌癥中，典型的情況是骨髓增生異常綜合征，這是白血病的前期。它在中國每年新發(fā)病例有30多萬(wàn)，通過(guò)基因測序發(fā)現，50%的案例是次要剪接體上的蛋白發(fā)生突變導致，也就是剪接體本身出了問(wèn)題了。此外，有35%的人類(lèi)遺傳紊亂疾病被發(fā)現與剪接體相關(guān)，這些遺傳病中有一大部分是罕見(jiàn)病。其中，生長(cháng)激素缺乏癥、早發(fā)型小腦共濟失調、小頭畸形骨發(fā)育不良原始侏儒癥、遲發(fā)性脊柱骨骺發(fā)育不良、肌萎縮側索硬化……這些罕見(jiàn)病都和次要剪接體異常相關(guān)。

　　遺憾的是，次要剪接體對人類(lèi)來(lái)說(shuō)，依然是一個(gè)神秘的存在。盡管它在上世紀已被發(fā)現，但隨后的研究卻陷入停滯。自剪接體發(fā)現以來(lái)，科學(xué)家們一直在探索其中的分子奧秘，期待揭示背后的機理，但也陷入了長(cháng)年累月的僵局。

　　這種困境實(shí)屬事出有因，事實(shí)上，研究剪接體從來(lái)并非易事。

　　剪接體是一個(gè)龐大且永遠處在動(dòng)態(tài)中的“大分子機器”，它的機理非常復雜。所謂“大分子機器”，指的是那些像機器般運作、分子量較大的物質(zhì)，蛋白質(zhì)、核酸、多糖等生物物質(zhì)也屬于這個(gè)類(lèi)別。說(shuō)是“機器”，剪接體遠比我們生活中見(jiàn)到的機器復雜得多。如果想要讓一臺機器發(fā)揮功能，只需要把它組裝好，然后放在合適的位置，讓它運轉起來(lái)就行了。

　　但對剪接體來(lái)說(shuō)，并不是這樣——假設眼前有一個(gè)由8個(gè)部分組成的剪接體。在找到需要“剪輯”的“片段”后，這些部分并不是一起組裝完成的——可能有一兩個(gè)先抵達工作地，開(kāi)始忙碌，其他部分在這個(gè)過(guò)程中可能會(huì )陸續加入、各司其職，也可能會(huì )在不同的時(shí)間離開(kāi)，也就是說(shuō)，這樣的結合是動(dòng)態(tài)的。當剪輯完成后，所有8個(gè)部分會(huì )被釋放，等下一次有工作任務(wù)了，再進(jìn)行新一輪的結合。

　　近年的科學(xué)研究證實(shí)，剪接體這個(gè)大分子機器，每完成一次“剪輯”，期間存在10種不同的狀態(tài)。

　　即便應用倍數很高的電子顯微鏡，也難以清晰地詳細觀(guān)察剪接體這樣精密又復雜的工作過(guò)程。可以想象，既然主要剪接體的研究已經(jīng)舉步維艱了，對次要剪接體的探索，必然是難上加難。原因非常明了：次要剪接體的含量占比稀少，發(fā)出的“信號”弱，科學(xué)家們更難獲得樣本。

　　4.破譯剪接體“真身”，向免于病痛邁進(jìn)一步

　　次要剪接體就存在于人體內，伴隨著(zhù)每一刻的呼吸。難道就這樣放棄對它的研究嗎？既然它是存在的，就不應該毫無(wú)新發(fā)現，對不對？抱著(zhù)這樣樸素的想法，我國的研究團隊決定跟它“死磕”。

　　眼下，我們希望能夠從生物化學(xué)和結構生物學(xué)的角度，去理解次要剪接體。換句話(huà)說(shuō)，我們想要破譯這類(lèi)“剪輯師”，搞清楚它到底是誰(shuí)，由什么構成，究竟具體在做什么，是怎么做到的，和主要剪接體如何協(xié)作等。

　　在研究次要剪接體之前，西湖大學(xué)施一公院士研究組在過(guò)去的十多年間，都在致力于剪接體的三維結構解析與分子機理研究。這個(gè)研究組是世界上首個(gè)，也是目前唯一一個(gè)成功捕獲并解析了RNA剪接過(guò)程中所有完全組裝剪接體高分辨率三維結構系列成果的團隊。換句話(huà)說(shuō)，這項研究讓人類(lèi)看清楚了主要剪接體這位“剪輯師”的完整通路，覆蓋了“剪輯”的全過(guò)程。

　　我們的研究團隊也曾參與其中，在進(jìn)行了大約四五年的主要剪接體研究工作，有了主要剪接體的研究經(jīng)驗和成果積累后，我們開(kāi)始對“被忽視”的次要剪接體進(jìn)行研究。

　　如何把這1%的次要剪接體捕獲出來(lái)，跟主要的剪接體分開(kāi)，是領(lǐng)域內公認的難題。這個(gè)空白領(lǐng)域中，沒(méi)有任何文獻和經(jīng)驗可供參考。經(jīng)過(guò)長(cháng)期研究與實(shí)驗，我們設計了一個(gè)高效的“誘餌”（pre-mRNA），也就是用一段需要“剪輯師”處理的素材，用它“釣”出了含量極少、被視為很難分離的次要剪接體。可以把這個(gè)過(guò)程想象為針對次要剪接體“喜好”而特別人工設計了它感興趣的“片段”，投入細胞之中，當次要剪接體找到這個(gè)片段、開(kāi)始工作時(shí)，科研人員就能把它連同片段一起提取出來(lái)。同時(shí)，科研人員改進(jìn)了后續的純化方式，使獲得的次要剪接體更加穩定、更易被研究。

　　通過(guò)冷凍電鏡技術(shù)，科研人員重構了這個(gè)次要剪接體的結構，整體分辨率高達2.9埃，搭建了它的原子模型，包含了4條RNA和45個(gè)蛋白。這是世界上首個(gè)被解析的次要剪接體，相關(guān)工作已發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》上。

　　對次要剪接體的研究，才剛剛開(kāi)始，未來(lái)需要做的工作還有很多。

　　一方面，科研人員需要獲取更完整的次要剪接體“全景圖”。2021年的研究成果“破譯”的僅僅是激活狀態(tài)下的次要剪接體，還需要逐步完成所有10種狀態(tài)的解析，進(jìn)一步探究其分子機理、調控通路及功能意義等。與破譯主要剪接體的“剪輯”類(lèi)似，科研人員還需要更深度了解，次要剪接體究竟長(cháng)什么樣、如何工作，怎樣和主要剪接體“配合”，完成遺傳信息遞送中賦予它的使命。

　　了解這些原理后，科研人員和醫藥研發(fā)人員將能有針對性地設計靶向次要剪接體藥物。無(wú)論是這個(gè)大分子機器自身出了毛病，還是它剪錯了，都能被及時(shí)糾正，從而使人類(lèi)免于次要剪接體相關(guān)的癌癥和罕見(jiàn)病之苦。我們的科研團隊希望能夠把次要剪接體的成果，更多地應用到維護人類(lèi)健康之中，目前已經(jīng)在進(jìn)行與藥物研發(fā)、疾病相關(guān)的研究。

　　與此同時(shí)，次要剪接體的版圖依然是“人跡罕至”的真空地帶，我們希望世界上更多的科研工作者能夠加入這一研究。為此，我們科研團隊想先替大家解決最困難的部分——發(fā)明一種次要剪接體的體外研究活性體系，能方便地對次要剪接體開(kāi)展實(shí)驗，讓結構、細胞、生化、分子等領(lǐng)域的科學(xué)家都參與到對次要剪接體的探索中來(lái)。

　　道長(cháng)且阻，這是基礎研究的常態(tài)，從0到1的開(kāi)拓，沒(méi)有捷徑。基礎研究的成果要邁入技術(shù)應用，也還需要經(jīng)年累月的不懈努力。但基礎研究取得創(chuàng )新性的點(diǎn)滴突破，人類(lèi)對世界的認知便向前躍進(jìn)了一步，期待這樣的突破奔涌而來(lái)。