轉動魔術方塊的推手 Prp28掌控基因剪接準確度

生活中,我們或多或少都接觸過魔術方塊。快手甚至可以在十二秒內就把六個面都轉好,熟練精確度讓人瞠目結舌。很少人知道在基因的世界裡,也存在著類似魔術方塊的一部機器-剪接體 (Spliceosome),它靠著推手的協助,一步一步地轉動調整,直到到達正確的位置,然後執行剪接基因的任務。

基因的長鏈蘊藏著遺傳的訊息,要運用這些訊息必須經過裁剪。基因體研究中心研究員張典顯研究團隊曾經發現,負責基因剪接的機器裡有一個重要的成員Prp28,它是轉動剪接機器的推手。現在他們進一步發現,Prp28在轉動剪接機的時候,是掌控裁剪準確度的要角。少了Prp28,細胞會逐漸凋亡,Prp28如果沒有好好運作,剪接不是發生在正確的位置,則會導致疾病叢生。這項研究成果已經發表在最新一期的Nature Communications期刊。

DNA裡的基因序列,好比是人體的製作藍圖,細胞想要使用這些資料,第一步必須先「轉錄(Transcription)」,把細胞核裡 DNA 的遺傳資訊複製到 RNA,然後,用RNA這個「隨身碟」存取的資訊會進入細胞質,進行「轉譯 (Translation)」,按圖索驥製作各種有用的蛋白質,這些蛋白質就是組成生命最重要的元素。這些看似簡單的過程,實際上卻相當地複雜。

2021PRP 28 F1

在DNA上基因的結構不是連續性的,一個基因包含了多個內含子 (intron) 與外顯子 (exon) ,兩者交互穿插,只有外顯子才會進一步轉譯成蛋白質,所以當DNA拷貝成RNA,必須剪去內含子,把有用片段接起來,變成信使 RNA (mRNA),細胞才能使用。在轉錄、轉譯之間,這個很重要的裁剪步驟,稱為「剪接 (Splicing)」。

 

 

剪接工作是由一部稱為「剪接體」的專業機器來完成。剪接的過程中,為了再三確認剪接位置的正確性,剪接體內聚集了各項專家。先前張典顯研究團隊發現其中一位專家Prp28,它在剪接機裡是負責轉動整部機器的推手之一。

「基因有長有短,有時候長度就像從台北到高雄的距離,我們一直很好奇,剪接體到底如何在這一長串的密碼中,指認出正確的位置下刀,而 Prp28又是如何在剪接體中發揮推手的功能。」張典顯老師說。

人類的Prp28和酵母菌的Prp28雖然以不同的形態存在,但是將它們分別純化出來,卻又發現兩者所展現的活性差不多,到底誰在指示Prp28在不同的生物體執行不同的任務,藉由基因的裁剪來產生不同的結果呢? 這些未解之謎敦促張典顯實驗室在發現Prp28之後不停步,繼續堅持直到找出答案。

「所以我們有了一個假設,要不是在剪接體裡存在觸發的機關,不然就是剪接體所處的環境激發Prp28開始執行任務,又或者這兩者都要同時存在,在對的時間和對的地方,Prp28才會推動魔術方塊動起來。」張典顯老師表示。

為了知道Prp28的活性是如何被啟發的,本文第一作者葉富隆博士負責追尋Prp28在剪接體裡行進的足跡,找出它與剪接體裡其他專家的接觸史。他使用的方法就是在Prp28各處放黏膠。張典顯老師解釋,「我們使用的是化學交聯劑 (chemical crosslinker),實際效用就類似三秒膠。」這個黏膠有一個神奇的特性,只要照到UV光,就會和接觸的物體形成共價鍵、產生黏性。

人體的結構複雜,基因的傳遞轉瞬即逝。葉博士在Prp28選定了42個位置放上化學交聯劑,每個位置都要一次次來,照光的瞬間才會知道有沒有抓住Prp28的行動。想要抓住這個瞬間,耗時費力,得下苦功。經過了二年的時間才得到第一個訊號,積攢了十年的數據,他們拼湊出Prp28的剪接途徑。

張典顯老師表示,剪接機是一部客製化的機器,依照RNA這個客戶的需求招募各個專家,然後一步步即時搭建出一部大機器。

Prp28被剪接機裡另一個專家Npl3召喚,進入剪接機核心的正確位置,並且依據Npl3的指示,像轉動魔術方塊一樣,轉動這部機器將其重新塑形,拉近剪接體和RNA之間的距離,到達正確的位置並經過再三確認之後,才讓剪接體精準朝內含子兩端落刀。任務完成之後,Prp28促使另一位專家U1離開之後,再自行離開,進行下一次的任務。

2021PRP 28 F2

不論是動物還是植物,這些過程在每個細胞中不斷發生。接下將他們要將試管內得到的生化數據反推回去做細胞實驗,也就是進行遺傳學的驗證,找出這些剪接體的專家之間的互動,實際上會對生物體造成甚麼樣的影響。

剪接是基因表現不可或缺的一個步驟,過程中剪接體組裝或重組出現缺陷,抑或是准確度不足,就會產生疾病;徹底的了解剪接如何運作,是重要而且具有挑戰性的大工程。這次的研究成果建立了入門磚,為將來進入同領域的人提供了一個可依循的方法。

「經過一場猶如馬拉松般漫長的耐力賽才抵達終點,我很自豪我們從未放棄,堅持到最後才能獲得最終的勝利!」張典顯老師表示,「如果你也受到一個巨大挑戰的吸引,那就應該投入所有的時間和精力來獲取成功。解決最困難的問題不但會帶來的極大滿足,而且終將證明獲取的成果是最具有價值的。」

論文全文:Yeh, FL., Chang, SL., Ahmed, G.R. et al. Activation of Prp28 ATPase by phosphorylated Npl3 at a critical step of spliceosome remodeling. Nat Commun 12, 3082 (2021). https://doi.org/10.1038/s41467-021-23459-4

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