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我们研究的意义

这次“未来科学大奖”给我的表彰主要是对“解析真核细胞信使RNA剪接体这一关键复合物的结构，揭示活性位点及分子机理”的贡献。我尽量用比较通俗的语言来解释一下我们研究的意义。

每一种生物，包括我们人类的行为、语言、思考等一切生命活动都是由我们的基因所控制的，这是一个大家比较熟悉的常识。父母对子女的基因遗传以DNA作为载体来实现。DNA承载的遗传信息决定了我们从一个受精卵发育成一个胚胎，变成一个婴儿出生，一步步发育成熟，又至衰老。那么基因如何控制每一个生物体的生命过程呢？DNA储存的遗传信息首先要转化成可以执行具体功能的蛋白质，已知的生命活动绝大多数是由蛋白质们来执行完成的。这个遗传信息从存储的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。

说到这对非生物专业的朋友来说可能已经有点晦涩了。我打个比较粗略的比方，如果说生命活动是一部电影，那么DNA是一部用密码写成的脚本，蛋白质们就是演员和道具，共同演绎完成这部电影。但从加密的脚本到最终的影片，还需要解码、需要对脚本进行编辑成为成熟的剧本，这就是信使RNA要做的事情。

在地球上被称为“真核生物”的生命体中，中心法则的执行过程可以分解为三步：第一步是把我们的遗传信息从DNA传递到前体信使RNA，也就是解码的过程。这个前体信使RNA和DNA是一一对应的关系。在真核生物中，绝大多数的前体信使RNA还不能够被直接翻译成蛋白质，因为它们常常包含有一段或者若干段长度、序列各异的片段，这些片段并不能编码蛋白质，它们被称为内含子。内含子们不能够进入最后的剧本，它们要被剪掉。前体信使RNA上，除了内含子之外其他的片段就叫做外显子。想象一下，每一条前体信使RNA就是由长度和序列各异的内含子和外显子交错连接起来。把前体信使RNA中的内含子剪裁掉，把包含有效信息的外显子拼接在一起成为成熟的信使RNA，这个过程就叫做“剪接”（splicing），顾名思义，剪掉内含子，连接外显子。成熟的信使RNA就可以被翻译成蛋白质了。蛋白质们辛勤做功，实现我们的运动、思维、感知、睡眠等等生理过程。

剪接这么简单的一个词，要实现起来可是异常复杂。因为内含子实在是变化太多了，一个内含子可以只有短短的几个核苷酸，也可能有成千上万个核苷酸；而内含子与外显子也是相对而言，一个内含子在另一种剪接方式下就变成了可以编码蛋白质的外显子，反之亦然。外显子的拼接方式也异常复杂，不仅可以12345的顺序拼接，还可以打乱顺序12543地拼接，甚至来自不同前体信使RNA的外显子们还可以“跨界”连接。因此，同样的DNA模板，同样的前体信使RNA，因为剪接的不同，传递下来的意思完全不同了。这只是一个简单的类比，事实上，细胞世界中前体信使RNA的剪接要更加复杂。同一条前体信使RNA的剪接方式不同，产生的成熟信使RNA就千变万化，从而导致最后的产品蛋白质随之千变万化。

听起来好像内含子们杂乱无章，剪接随心所欲，当然不是！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，这每一个都是可能改变细胞命运的关键问题。想一想，一步走错，结果就千差万别，生命活动也就乱了套。所以毫不奇怪，人类的遗传疾病，大约有35%都是因为剪接异常造成的。

正因为剪接如此复杂又如此重要，这个过程不论是在单细胞的酵母中还是在我们复杂的人类中，都是由一种具有巨大分子量、由几十到几百种蛋白质和五条RNA动态组合形成的一个超大分子机器，被称为“剪接体”（spliceosome）。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，毫不为过。

基础研究，很多青年学生可能不了解的时候觉得很遥远，而且觉得很深奥，甚至想象得太过高大上，似乎每一个成果都是惊天地泣鬼神的。其实我很想对我们的本科生、我们的中学生、我们的小学生讲，基础研究确实很深奥，但也非常简单。这个过程大家可以很快的适应，并不是说你一定要数学考多少分，你的数学物理基础要多强才能做基础研究，实际上基础研究的门槛主要是来自兴趣和好奇。我相信，当你对基础研究真正感兴趣的时候，很多人都可以做基础研究，它是一个门槛并不算高，进来以后可以逐渐通过自己的兴趣培养出能力的一门学科。而基础研究一旦入门以后，你会得到无穷无尽的快乐。我相信不仅是我，我的所有取得过研究突破的博士生和博士后都会告诉你们做基础研究获得的喜悦和成就感。尤其是得到突破之后，这种快乐是无与伦比的，我觉得是世界上独一无二的一种喜悦。我有一个学生曾经因为课题不顺利，郁闷到要转行，工作都联系好了，在南方一个消费不太高的城市，年薪20万。但是就在最后半年，他取得了突破，这种苦尽甘来的巨大反差让他改了主意，5年博士毕业后去了美国继续从事博士后研究，最近告诉我他很庆幸最后的坚持。

我很理解他的这种心态，而且有这种心理变化的人不止他一个，而且我年轻时也经历过。这个世界最容易让我着迷的是不可预测的未来、是未知的那些部分。基础研究的每一项突破都让我们在宇宙中、在地球上把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又往前迈进了一步;而任何一个取得这种基础研究突破的研究人员，无论是学生、博士后、还是教授，都是创造历史的一部分，他们的研究与他们的名字连在一起，这种喜悦是无法用语言来形容的。我想我的很多同事都经历过这种感受，我也想借此激励我们的青年学生保持对科学研究的兴趣。

施一公团队《细胞》解析酵母ILS状态剪接体

　　北京时间9月15日凌晨，Cell在线发表了施一公教授课题组题为“Structure of an Intron Lariat Spliceosome from Saccharomyces cerevisiae”的论文，解析了酿酒酵母平均分辨率为3.5A的内含子套索剪接体ILS complex（Intron Lariat Spliceosome）。施一公教授为本文的通讯作者，署名单位为西湖大学、浙江西湖高等研究院，清华大学生命学院博士万蕊雪、高精尖中心卓越学者闫创业博士、博士生白蕊为该文的共同第一作者。

　　内含子的去除主要是通过两步转酯反应来实现的，这两步化学反应是由剪接体催化完成的（下图a）。对于每一个内含子来说，为了调控反应的各个基团在适当时机呈现合适的构象从而发挥其活性，剪接体各组分按照高度精确的顺序结合和解离，组装成一系列具有不同构象的分子机器，统称为剪接体。根据它们在RNA剪接过程中的生化性质，这些剪接体又被区分为E、A、B、Bact、B*、C、C*、P、ILS等若干状态（下图b）。

　　图片引自：Shi, Y.（2017）. The Spliceosome：A Protein-Directed Metalloribozyme. Journal of Molecular Biology, 429（17）, 2640-2653.

　　在这个结构中，第一次观察到了参与剪接体解聚的4个关键蛋以及在剪接体解聚过程中具有重要作用的一个剪接因子。该结构的解析，补充了mRNA剪接后期剪接体解聚的关键信息，描述了剪接体完成转酯反应后、即将解聚前的催化反应活性中心的变化，并从结构生物学的角度提出了两种可能的剪接体解聚的分子模型。该结构的解析为领域内对剪接体解聚机理长达多年的猜测提供了重要依据。

　　剪接体由五个小核核糖核蛋白（snRNP）、十九号复合物（Nineteen Complex，简称NTC）、十九号复合物相关蛋白（NTC Related）和一系列的辅助蛋白所构成,共涉及到100多个蛋白质和至少五条RNA分子。在剪接的过程中，剪接体以前体信使RNA分子为中心，按照高度精确的顺序进行逐步组装并发生大规模结构重组，使之得以完成复杂的剪接任务。剪接是真核细胞进行正常生命活动不可或缺的核心环节，因此具有重大的生物学意义，获取剪接体在组装、激活、催化反应过程中各个状态的结构是最基础也是最富挑战性的结构生物学难题之一（2014年初Nature发表了一篇评论文章回顾晶体学一百年，将剪接体和核孔复合物结构视为今后最希望解析的蛋白复合物）。

　　2015年8月至今，施一公教授研究组共报道了剪接反应中5个关键状态剪接体复合物的高分辨率结构，分别是3.8埃的预组装复合物tri-snRNP、3.5埃的激活状态复合物Bact complex、3.4埃的第一步催化反应后复合物C complex、4.0埃的第二步催化激活状态下的C* complex以及3.6埃的内含子套索剪接体ILS complex。这5个高分辨率结构所代表的剪接体状态，基本覆盖了整个剪接通路中关键的催化步骤，提供了迄今为止最为清晰的剪接体不同工作状态下的结构信息，大大推动了RNA剪接研究领域的发展。2017年5月份施一公教授课题组还首席解析了人源剪切体的工作状态（3.76A第二步催化激活状态下的人源C* complex），阐释了人源剪切体催化第二步转酯反应的功能机理（详见BioArt此前的报道：施一公组首次报道人源剪切体原子分辨率结构）。

　　内含子套索剪接体ILS complex的解体标志着剪接循环的结束，早在2015年8月，施一公教授课题组就解析了裂殖酵母（S. pombe）3.6埃的内含子套索剪接体ILS complex。而最新的这项研究表明，酿酒酵母和裂殖酵母的ILS complex在整体构象和蛋白组成成分以及RNA都具有很高的相似性（下图）。

　　酿酒酵母而非裂殖酵母的ILS complex包含三个Ntr复合物成分：ATPase/解旋酶Prp43、Ntr1/Spp382以及Ntr2，此外还包含剪接因子Cwc23.。而裂殖酵母包含四个蛋白：Cwf11、Cwf19、Cwf17以及Cyp1。除了Cwf19，其它三个蛋白在酿酒酵母中没有对应的同源蛋白。

　　在酿酒酵母ILS complex的中心，Prp8、 Snu114、三个十九号复合体（NTC）蛋白（Cef1、 Clf1、 Syf2）以及6个NTC相关（NTR）成分（Cwc2、Cwc15、Bud31、Ecm2、 Prp45、 Prp46）与处于激活位点的RNA相互作用，C* complex具有一定的相似性。该结构对于认识ILS complex的解离方式提供了更合理的机制。

施一公、潘建伟、许晨阳获2017年未来科学大奖

2017未来科学大奖9日在北京揭晓，中国科学技术大学潘建伟、清华大学施一公、北京大学许晨阳分获“物质科学奖”“生命科学奖”和“数学与计算机科学奖”，每人奖金为680万元人民币（约合100万美元）。

　施一公因其“在解析真核信使RNA剪接体这一关键复合物的结构，揭示活性部位及分子层面机理的重大贡献”而获奖。潘建伟凭借其“在量子光学技术方面的创造性贡献，使基于量子密钥分发的安全通信成为现实可能”而获奖。许晨阳的获奖依据是“在双有理代数几何学上作出的极其深刻的贡献”。

　　未来科学大奖是由企业家和科学家联合发起创办的民间科学奖项，每年评选一次，旨在奖励在大中华地区做出的原创性科学成果，从而激发社会对科学的热爱、对科学家的尊重，提升公民科学素养。大奖科学家委员会由15位知名华裔科学家组成，包括中国科学院物理所丁洪、芝加哥大学何川、斯坦福大学李飞飞、普林斯顿大学李凯、香港科技大学励建书、斯坦福大学骆利群、李政道研究所季向东、北京大学饶毅、北京大学田刚、北京生命科学研究所王晓东、麻省理工学院文小刚、美国西北大学夏志宏、哈佛大学谢晓亮、加州大学伯克利分校杨培东及美国Scripps研究所余金权。未来科学大奖每项奖金由4位捐赠人共同捐赠，其中“生命科学奖”捐赠人为丁健、李彦宏、沈南鹏、张磊，“物质科学奖”捐赠人为邓锋、吴亚军、吴鹰、徐小平，“数学与计算机科学奖”捐赠人为丁磊、江南春、马化腾、王强。