生化教科书将剪接体形容为细胞里最复杂的超大分子复合物。剪接体结构解析的难度普遍认为高于RNA聚合酶和核糖体，后两者的结构解析曾分别获得2006年和2009年的诺贝尔化学奖。
我们都知道，包括人类在内的每一种生物的生命活动，包括行为、语言、认知等等，都是由基因所编码的。那么基因是如何控制生物体的生命过程呢？那就不得不提DNA了。众所周知，DNA是遗传物质。但是DNA本身没有办法直接控制细胞活动，它需要将自身携带的遗传信息经过RNA转化到蛋白质，后者直接执行生命活动。如果很难理解，不妨把DNA想象成我们的大脑，本身并不能跑不能跳，大脑（DNA）需要通过神经系统（RNA）来控制肌肉等组织器官（蛋白质）让我们能吃能动。遗传信息从存储的DNA转化为具有各种结构、执行各种功能的蛋白质的过程，就叫做中心法则。
中心法则其实是一个遗传信息传递的过程。在真核细胞中，该过程共分为三步，分别由RNA聚合酶、剪接体和核糖体执行。首先，以DNA为模板，在RNA聚合酶的催化作用下合成前体信使RNA (简称pre-mRNA)，DNA中的遗传信息于是传递到了pre-mRNA，这一步叫做转录；事实上，真核细胞DNA中遗传信息不是连贯的，是被很多被称为内含子的序列打乱顺序的，遗传信息实际分布在被称为外显子的片段上，而通过转录，这样的非常粗糙的“乱序”信息也跟着被传递到了pre-mRNA，等待着被筛选破译，这个过程就需要剪接体大显神威。精确地剪掉内含子、连接外显子，生成携带有连贯信息的成熟信使RNA，这一步就叫做剪接；随后，成熟的信使RNA将作为模板，在核糖体的催化作用下合成蛋白质。丰富多彩的蛋白质执行支撑起细胞活动的各种功能。关于第一步的转录和第三步的核糖体翻译，科学家们已经在原子、分子层面上“看清楚”它们是如何进行的了，但是中间这一步的剪接究竟是如何完成，在2015年之前，科学家们主要通过遗传和生化研究获得相关线索和证据，去推测去猜想，但在结构和分子机理上的认知并不清楚。
RNA剪接示意图（图源：Yan, C., Wan, R., & Shi, Y. (2019). Cold Spring Harbor perspectives in biology, 11(1), a032409.）
通俗来讲就是：pre-mRNA这盒通过转录形成的“磁带”中间夹杂着很多“噪音”，在播放的时候，有时候有声音，有时候没声音……如果我们将没有携带基因信息的内含子比作没声音的部分，那么在播放的时候，声音就会时断时续，基因的信息传递也就时断时续。这时就需要一位能工巧匠，把磁带中没有声音的部分（内含子）剪掉，再把有声音的部分（外显子）按照特定的顺序连接起来。值得一提的是，外显子们甚至不是1、2、3 的串联，可能需要1、3、2或者2、1、3等不同顺序的组合；这样一条pre-mRNA就可能翻译出不同的信息，也就是变成不同的成熟信使RNA，合成不同的蛋白质。到底内含子和外显子的分界线在哪里、外显子又要通过什么方式连接，这都需要具备火眼金睛的能工巧匠，这位能工巧匠便是剪接体了。每个细胞对于每一条前体信使RNA的剪接在时空上是非常精准的。剪掉谁，剪掉多长，什么时候剪，按照什么顺序把外显子拼接起来，每一个“操作”都是可能改变细胞命运的关键问题。一步走错，结果千差万别，基因的表达和传递也会因此出现错误，于是就导致了人类某些先天遗传疾病以及后天疑难杂症的出现。研究发现，人类的遗传疾病大约有35%都是因为剪接异常造成的。因此，剪接体的研究对人类健康至关重要，自1993年RNA剪接的发现被授予诺贝尔生理及医学奖以来，科学家们一直在探索其中的分子奥秘，期待早日揭示这个复杂过程的分子机理，然而始终未能取得巨大突破。这是由于剪接体作为一个巨大而又复杂的动态分子机器，即便在倍数很高的电子显微镜下也难以清晰地观详其一二，因此，生化教科书将剪接体形容为细胞里最复杂的超大分子复合物。剪接体结构解析的难度普遍认为高于RNA聚合酶和核糖体，后两者的结构解析曾分别获得2006年和2009年的诺贝尔化学奖，被称为世界结构生物学公认的两大难题之一。所以，解析剪接体这颗分子生物学皇冠上的明珠，曾经成为很多生物学家的终极梦想。经过7年的努力，施一公团队终于在2015年首次解析了裂殖酵母剪接体3.6埃的高分辨率结构，（1埃，即1纳米的十分之一；百亿分之一米），首次展示了剪接体催化中心近原子分辨率的结构。这一重大研究成果对RNA剪接机理的研究产生革命性影响。美国加州大学圣地亚哥分校细胞与分子医学系教授付向东表示，通过对剪接体近原子分辨率结构的解析，解决了该领域的核心问题，是RNA剪接领域里程碑式的重大突破，也是近30年中国在基础生命科学领域对世界科学的最大贡献。自2015年第一个剪接体结构发表以后，施一公研究组相继解析了酿酒酵母剪接体复合物处于8个不同状态的高分辨率结构，这些已解析的剪接体基本覆盖了整个RNA剪接循环，从分子层面揭示了剪接体催化RNA剪接两步反应的工作机理，同时为理解剪接体的组装、激活和解聚等过程的发生提供了结构依据。2019年3月，最难捕获的，对于理解第一步剪接反应的发生具有至关重要的作用的B* complex的4个不同构象的高分辨率三维结构也终于被解析。该结构首次揭示了第一步剪接反应发生过程中的动态变化，展现了剪接因子对于剪接反应发生的重要作用，第一次从结构信息中回答了剪接体对不同pre-mRNA底物识别的特异性等重要科学问题。至此，施一公研究组成为世界上首个、也是唯一一个成功捕获并解析了RNA剪接过程中所有完全组装剪接体高分辨率三维结构系列成果的团队。
施一公研究组解析的酵母剪接体结构汇总（图源：https://ygshi.org/research）
迄今，施一公研究组在酵母中一共解析了10个不同状态的剪接体高分辨的三维结构，从组装到被激活，从两步转酯反应发生到剪接体的解聚，这10个状态的剪接体完整覆盖了剪接通路，首次将剪接体介导的RNA剪接过程完整的串联起来，为理解RNA剪接的分子机理提供了最清晰、最全面的结构信息。本期视频展现的便是pre-mRNA剪接循环这一过程。十年磨一剑，10个不同状态的剪接体高分辨的三维结构都已被解析，是不是意味着剪接体的研究可以告一段落了？是不是意味着可以投入临床应用了？当然不是！研究的道路还很漫长。比如，与疾病有关的剪接体突变体的结构是怎样的，它们是如何变的异常的，又是如何导致疾病的，剪接体的调控机理是怎样的，它们在细胞内部的动态组合和变化是怎样的？等等。这些都是尚需解决的问题。从基础科学的研究到临床应用，再到治疗疾病，还有一段漫长的距离。但是，基础研究的每一项突破都让我们在宇宙中，在地球上，将我们人类的已知边界向外拓展了一步，都让人类在未知世界的探索中往前迈进了一步。参考资料
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