施一公研究组 2015 年 8 月 21 日在《科学》在线发表的两篇论文对分子生物学领域有什么意义？ menz，食品安全、结构生物学 Spliceosome（RNA 剪切体）的工作极有可能获得诺贝尔奖（注）。 生物学现在（甚至是一直以来）最重要的基础问题是什么？是中心法则。 千兆编码逐个字节跨越酸、碱、盐、酶而很少出错，最终转化为流水线上的各种机器（蛋白质），是如何做到的？我们体内的信息，是怎样从 DNA 传递到 RNA，再传递到蛋白质的？这个过程，就是中心法则。 第一步，DNA 长啥样？通过把 DNA 晶体进行 X 射线衍射（下图），衍射结果进行傅里叶逆变换等处理，得到 DNA 分子结构模型。这个就是著名的 DNA 分子双螺旋结构。这是 1962 年的诺贝尔生理学和医学奖 The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1962。另外。DNA 和 RNA 生物合成机理的阐明，获得了 1959 年的诺贝尔奖 The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1959。 第二步，DNA 在 RNA polymerase（RNA 聚合酶）的帮助下，转录为 pre-mRNA（前体 mRNA）（注意：这时还没有转化为可翻译的成熟 RNA）。Roger D. Kornberg 拿到了 RNA polymerase 的晶体结构，阐明了其工作机理，获得了 2006 年的诺贝尔化学奖 The Nobel Prize in Chemistry 2006。 反过来，逆转录酶（存在于 RNA 病毒中）可以以单链 RNA 为模板合成 DNA。这个发现获得了 1975 年的诺贝尔奖 The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1975。 第三步，pre-mRNA 转化为成熟的 mRNA。 第四步，成熟的 mRNA 从细胞核游到细胞质，在 ribosome（核糖体）的作用下，翻译为蛋白质。ribosome 的发现得了 1974 年的诺贝尔奖 The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1974。其结构获得了 2009 年的诺贝尔奖 The Nobel Prize in Chemistry 2009。 问题来了：第三步是咋回事？ 真核细胞的基因序列中，包含了内含子（intron）与外显子（exon），两者交互穿插。其中内含子在基因转录成 mRNA 前体后会被 RNA 剪接体（spliceosome）移除，剩下的外显子才是能够存在于成熟 mRNA（之后再进一步转译成蛋白质）的片段（语出 Wikipedia）。 因此，即使是同一条基因，在 spliceosome 的作用下，也可能表达出两种（两个 isoforms）不同的蛋白质。所以，阐明 spliceosome 的作用机理，至关重要。 例如：丙酮酸激酶 M1 型和 M2 型本是同一条基因，在 alternative splicing（可变剪接）的作用下分别表达为两种不同的蛋白。其中 M1 型存在于肌肉细胞中，活性很正常很稳定；但 M2 型则存在于癌细胞中，易受调节而失活，从而造成细胞代谢紊乱 (Mazurek, S. 2011 Int. J. Biochem. Cell Biol. 43, 969-980，有争议)。 那么，spliceosome 到底是怎么作用的呢？科学家通过一系列的实验，得出结论： 图片出自 Cindy L. Will and Reinhard Lührmann, Cold Spring Harb Perspect Biol. 2011 Jul; 3(7): a003707. Spliceosome 是一种由 RNA 与蛋白质剪接体次单位所组成的超大型复合物。Spliceosome 由五个核内小分子核糖核蛋白（snRNP）以及其他非 snRNP 蛋白质所组成。这五个小型细胞核核糖核蛋白分别为 U1、U2、U4、U5 和 U6 snRNP，各自含有一条 snRNA。pre-mRNA 经过 spliceosome 一系列 snRNP 的组装、活化、剪切、拼合的过程，最终形成成熟的、可翻译的 mRNA。 以上过程都是由各种间接实验推测而得。科学家们等了几十年，都没有得到直接的图像证据（结构）。 这两篇文章，讲的就是 spliceosome 的第一张高清三维电镜结构图。 他用电镜看到了什么？ 上图是作者用超低温电镜三位重构解出的酵母 spliceosome 结构图，解释了其作用机理： - U5 snRNA 起到中心支架的作用； - U6 和 U2 snRNAs 相互交缠，形成催化中心； - spliceosome 其实本质上是一个由蛋白指引的核酶，控制关键 RNA 的距离和位置，从而控制这个 splicing 反应。 这个结构如此重要，为什么现在才解出来？ 为什么是施一公组而不是别人解出了这个结构？ 首先，这并不是这个结构第一次发表。之前英国剑桥 MRC 的 Kiyoshi Nagai 就通过结晶的方法，解出过这个大分子复合物一部分的结构，但没有这个结构完整。 第二，这个结构的解析非常非常难。Kiyoshi Nagai 就称其为“令人害怕地困难”。体系无比巨大（例如本文中的结构就含有来自 37 个蛋白 +4 个 RNA 大分子的 10,574 个氨基酸，加起来有一百多万道尔顿）；结构超级复杂，更有很多不稳定的区域。 这就使结晶整个大分子复合物，成为基本不可能的事情。幸而近几年 CryoEM（超低温电镜三位重构）技术有了突破性的进展，从以前不怎么清楚（最高分辨率约为 7 埃米），发展为现在原子级别的分辨率（3 埃米左右，例如本文中结构的分辨率为 3.6 埃米），就绕过了结晶这个瓶颈。清华花巨资购入（并维护）顶级电子显微镜，为本结构的解析提供可能。 第三，也是最重要的：研究者了解这个蛋白的特性。获得蛋白结构表面上看起来好像是一个通过高通量暴力筛选条件就能完成的工作，其实完全不是这样。研究者必须慢慢探索，摸透这个蛋白质的脾气，保证它的稳定，才能解出它的结构。 施组有先进的仪器、技术和经验，并对研究对象蛋白有深刻的理解，正所谓“天时、地利、人和”： 施子曰：“天时不如地利，地利不如人和”。 三埃晶体，七米电镜，环而解之而不得。夫环而解之，必有得天时者矣；然而不解者，是天时不如地利也。 剑桥非弱也，马普非穷也，学生非不聪敏也，千老非不多也；解而不精，是地利不如人和也。 故曰：纯化不以试样之多，结晶不以射线之猛，解结构不以算法之利。懂蛋白者多助，藐蛋白者寡助。寡助之至，lysozyme precipetates；多助之至，spliceosome behaves。以 spliceosome 之 behaviour，攻 lysozyme 之 precipetation；故结构有不解，解必成矣。 为什么讲这个工作极有可能获得诺贝尔奖？ 以中心法则之重要，解释清楚中间的任何一个环节，都可能获得诺贝尔奖。阐明 spliceosome 的工作机理，搞清楚 mRNA 是怎样 splice 的，当然值得一个诺贝尔奖。 施一公并非 spliceosome 机理阐述的唯一贡献者，为何诺贝尔奖可能颁给他？ 诺贝尔奖是颁给一个工作的最先发现者和突出贡献者，往往颁给多人而非一人。如 GPCR 的奖给了Robert Lefkowitz和Brian Kobilka两个人；ribosome 的奖给了Venkatraman Ramakrishnan、Thomas A. Steitz和Ada Yonath三个人，等等（Roger D. Kornberg这种以一己之力解结构、阐机理的变态大牛除外）。 Spliceosome 的这个奖，要给肯定也不是给施一公一个人。Reinhard Lührmann 和 Kiyoshi Nagai 的工作，至少有同样的分量。施一公虽然没有做很多 spliceosome 功能方面的研究（这也不是他的长项），但拿到了最完整的高清结构，这个工作也是非常重要的。 （@杨锐 对结构生物学领域诺贝奖的理解，更为深刻。可同时参看他的回答。） Spliceosome 的工作什么时候能得诺贝尔奖？ 排着吧。 前有 epigenetics，后有 CRISPR（这个要提一下：这个给奖也是给 Jennifer Doudna 和 Emmanuelle Charpentier 而不是 Feng Zhang，因为后者只是技术的发展者而非发现者、机理阐明者。这个和施一公的情况不一样），很多这个级别的工作还没给，大家都在排着队。11g 貌似身体不错，希望能等到 2333333。 部分图片引自 Wikipedia 注：之前写作这两篇文章的结构工作能得诺贝尔奖。看到了大家的争议，答主承认自己之前过于乐观，妄断了。在此改为更为保守可信的论断。 查看知乎原文
