10 月 31 日，2022 達摩院青橙獎公佈，15 位平均年齡僅 33 歲的中國青年科學家獲獎，每位獲獎者將得到百萬獎金及科研支持。獲獎者中有 2 位從事生命科學領域，其中一位是來自西湖大學生命科學學院的副研究員白蕊。
她還曾入選由中國科協評選的「未來女科學家計劃」，獲得歐萊雅-聯合國教科文組織評選的「世界最具潛力女科學家獎」。
圖片來源：西湖大學官網
白蕊本科就讀於武漢大學，在大三時聽了施一公的一場講座後，被他的科研觀和大局觀吸引，堅持選施一公作為導師。此後，便接觸到了「剪接體」這一世界級難題。
RNA 剪接是生命體解讀遺傳密碼的核心步驟，即把遺傳密碼中的內含子「剪」出來，外顯子「接」一起的過程，由細胞核內的剪接體負責執行。人類的遺傳疾病大約有 35% 都是因為剪接異常造成的。然而，剪接體催化過程中不同構象高解析度結構的缺失嚴重限制了大家對其工作機制以及 RNA 剪接的分子機理的理解。因此，對於剪接體以及 RNA 剪接通路上各複合物結構的研究，是當今世界最富有挑戰性、最亟待解決的課題之一。
她曾以第一作者和共同第一作者的身份在Science上發表 6 篇論文，在Cell上發表論文 3 篇。現在的白蕊參與並主導了全球唯一覆蓋完整 RNA 循環的剪接體系列成果，為相關遺傳病和癌症機理研究帶來新思路。
白蕊的研究成果，也以封面的形式寫進了國際最權威的生化教科書裡。
施一公實驗室報道的首個酵母剪接體的結構
圖片來源：生物化學經典教材 Lehninger Principles of Biochemistry（第七版）封面
今天，我們來簡單盤點一下近年來白蕊的 10 篇科研成果。（以時間順序排列）
1. The 3.8 Å structure of the U4 /U6.U5 tri-snRNP: Insights into spliceosome assembly and catalysis
（Science , 29 Jan 2016）
（圖片來源：Science）
前體信使 RNA 的剪接是由稱為剪接體的動態巨型複合體完成的。功能性剪接體的組裝需要一個預先組裝的 U4 /U6.U5tri-snRNP 複合物，它由 U5 小核核糖核蛋白（SnRNP）、U4 和 U6 小核 RNA（SnRNA）雙鏈以及一系列蛋白質因子組成。
該研究報道了一株釀酒酵母 U4 /U6.U5tri-snRNP 的三維結構，其總解析度為 3.8 埃。Tri-snRNP 核心區的局部解析度達到 3.0 到 3.5 埃，可以構建精細的原子模型。
作者解析的結構包括 U5snRNA、廣泛鹼基配對的 U4 /U6snRNA 以及包括 Prp8 和 Snu114 在內的 30 個蛋白質，共計 8495 個氨基酸和 263 個核苷酸，總分子質量約為 100 萬道爾頓。
來自 U6snRNA 的催化核苷酸 U80 以非活性構象存在，由其與 U4snRNA 的鹼基對穩定相互作用，並受 Prp3 保護。前信使 RNA 通過與 U6snRNA 和 U5snRNA 的環 I 的鹼基配對相互作用結合在 Tri-snRNP 中。這種結構與剪接體的結構一起揭示了剪接體核酶激活過程中 snRNAs 的分子編排。
釀酒酵母 U4 /U6.U5tri-snRNP 剪接體的結構（圖片來源：Science）
2. Structure of a yeast activated spliceosome at 3.5 Å resolution
（Science 26 Aug 2016）
（圖片來源：Science）
這篇研究報道了來自釀酒酵母的一個激活態剪接體（稱為 Bact 複合體）的原子結構，它是由平均解析度為 3.52 埃的冷凍電子顯微鏡測定的。
最終的精製模型包含 U2 和 U5 小核核糖核蛋白顆粒（SnRNPs），U6 小核 RNA（SnRNA），19 個複合物（NTC），NTC 相關（NTR）蛋白，以及一個 71 核苷酸的 Pre-mRNA 分子，共計來自 38 種蛋白質的 13505 個氨基酸，總分子量約為 160 萬道爾頓。
5ʹ外顯子由 U5snRNA 的環 I 錨定，而內含子的 5ʹ剪接位點（5ʹSS）和分支點序列分別被 U6 和 U2snRNA 特異性識別。除了催化金屬離子的配位作用外，Prp8 催化空腔中的 RNA 元件大多為催化作用做好了準備。催化潛伏階段由包圍 BPS 的 SF3B 複合物以及掩蓋 5ʹ外顯子- 5ʹSS 連接的剪接因子 Cwc24 和 Prp11 維持。這個結構與前面確定的結構一起勾勒出了前 mRNA 剪接反應的分子框架。
Bact 複合物的催化潛伏期（圖片來源：Science）
3. Structure of a yeast catalytic step I spliceosome at 3.4 Å resolution
（Science 26 Aug 2016）
（圖片來源：Science）
由剪接體執行的前信使 RNA 剪接作用中，每個循環包括兩個逐步發生的酯交換反應，這兩個反應移除了一個內含子並連接了兩個外顯子。
這篇文章研究了來自釀酒酵母的催化步驟 I 剪接體（稱為 C 複合物）的原子結構，這是由平均解析度為 3.4 埃的冷凍電子顯微鏡測定的。這篇研究與上一篇研究論文於同日發表在 Science 雜誌。
在結構中，分支點序列（BPS）中不變腺嘌呤核苷酸的 2’-OH 與 5’剪接位點（5’SS）5’端的磷酸共價連接，形成內含子套索。遊離的 5’外顯子仍然錨定在 U5 小核 RNA（SnRNA）的環 I 上，內含子的 5’SS 和 BPS 分別與保守的 U6 和 U2 snRNA 序列形成雙鏈。這些 RNA 元件在 Prp8 催化空腔的特異性放置由 15 個蛋白質組分穩定，包括 Snu114 和剪接因子 Cwc21、Cwc22、Cwc25 和 Yju2。這些特徵揭示了第一步反應後剪接體的構象，並預測了執行第二步酯交換反應所需的結構變化。
RNA 構象水平上前 mRNA 剪接的工作模式（圖片來源：Science）
4. Structure of a yeast step II catalytically activated spliceosome
（Science 13 Jan 2017）
（圖片來源：Science）
前體信使 RNA（Pre-mRNA）剪接的每個循環包括兩個逐步發生的反應，首先釋放 5’外顯子併產生內含子套索- 3′外顯子，然後連接兩個外顯子並釋放內含子套索。第二個反應由步驟 II 催化激活的剪接體 (稱為 C* 複合物) 執行。
這篇文章中，作者探究了來自釀酒酵母的 C～* 複合物的冷凍電子顯微鏡結構，其平均解析度為 4.0 埃。與之前的剪接體複合體（C 複合體）相比，套索連接移位了 15～20 埃，為傳入的 3’-外顯子序列騰出了空間。
步驟 I 剪接因子 Cwc25 和 Yju2 已從活性位點解離。Prp8 的兩個催化基序 (核酸酶類 H 結構域的 158 環，和 β 指)，以及步驟 II 剪接因子 Prp17 和 Prp18 和其他周圍蛋白，潛在促進第二次酯交換。這些結構特徵加上其他剪接體複合物的研究報道，完善了關於剪接循環的機制圖。
Pre-mRNA 剪接的機制模型（圖片來源：Science）
5. Structure of an Intron Lariat Spliceosome from Saccharomyces cerevisiae
（Cell 14 September 2017）
（圖片來源：Cell）
內含子套索剪接體（ILS）的解體標誌著剪接循環的結束。
這篇文章報道了釀酒酵母 ILS 複合物的低溫電子顯微鏡結構，其平均解析度為 3.5 埃。內含子套索仍然結合在剪接體中，而連接的外顯子已經解離。步驟 II 剪接因子 Prp17 和 Prp18 以及穩定與 U5 小核 RNA（SnRNA）環 I 結合的 5’外顯子的 Cwc21 和 Cwc22 已經從活性位點組裝中釋放。
Deah 家族 ATP 酶/解旋酶 Prp43 與剪接體外圍的 Syf1 結合，其 RNA 結合位點接近 U6snRNA 的 3’端。Ntr1 /Spp382 的 C-末端結構域與 GTPase Snu114 結合，而 Ntr2 與 Ntr1 的超螺旋結構域相互作用時錨定在 Prp8 上。這些結構特徵揭示了 ILS 複合物的一種可靠的拆解機制。
6. Structure of the Post-catalytic Spliceosome from Saccharomyces cerevisiae
（Cell 14 December 2017）
（圖片來源：Cell）
剪接體從前 mRNA 中去除內含子會導致催化後剪接體中兩個外顯子的連接（稱為 P 複合體）。
這篇文章中報道了來自釀酒酵母的 P 複合體的低溫 EM 結構，平均解析度為 3.6 埃。首次展示了 pre-mRNA 中 3′ 剪接位點的識別狀態，該結構為回答 RNA 剪接反應過程中 pre-mRNA 中的 3′ 剪接位點如何被識別，第二步轉酯反應如何發生以及成熟的 mRNA 如何被釋放等關鍵問題提供了重要的結構資訊。
（圖片來源：Cell）
7. Structures of the Catalytically Activated Yeast Spliceosome Reveal the Mechanism of Branching
（Cell 4 April 2018）
（圖片來源：Cell）
前 mRNA 剪接是由剪接體執行的。催化活化配合物（B-∗）的結構表徵是理解支化反應的關鍵。
在本研究中，作者從釀酒酵母的兩個不同的 Pre-∗上組裝了 B-∗複合物，並測定了四個不同的 B-RNA 複合物的冷凍-EM 結構，總解析度為 2.9 – 3.8 埃。
在 3 個不含步驟 I 剪接因子 Yju2 和 Cwc25 的 B∗複合物中，U2 小核糖核酸和分支點序列之間的雙鏈與 5’-剪接位點（5’SS）分開。Yju2 被招募到活性中心使 U2 /BPS 雙鏈進入 5’SS 附近，而 BPS 親核基團位於距離催化金屬 M2 4 埃的位置。這一分析揭示了 Yju2 和 Cwc25 在分支中的作用機制。不同前 mRNA 上的這些結構揭示了剪接體在主要功能狀態下的底物特異性構象。
（圖片來源：Cell）
8. Structures of the fully assembled Saccharomyces cerevisiae spliceosome before activation
（Science 29 Jun 2018）
（圖片來源：Science）
前催化剪接體（B 複合體）由前 B 複合體變化而來。這篇文章研究了釀酒酵母前 B 和 B 複合物的冷凍電子顯微鏡結構，其平均解析度分別為 3.3 到 4.6 埃和 3.9 埃。
這是一個非常重大的突破，揭示了世界上最大、最複雜的剪接體結構，也是施一公實驗室第一次捕獲並解析了一個全新的剪接體狀態，審稿人更是將該結構評價為史上最重要、最振奮人心的剪接體結構之一，在領域內有極大的反響。
在 Pre-B 複合體中，5’剪接位點 (5’sS) 和 U1 小核 RNA（SnRNA）之間的雙鏈被 Yhc1、Luc7 和 Sm 環識別。
在 B 複合體中，U1 小核糖核蛋白被解離，5’-外顯子- 5’sS 序列移位到 U6snRNA 附近，3 個 B-特異性蛋白可能定位前體信使 RNA。
在這兩個複合物中，U6 snRNA 錨定在 U5 snRNA 的環 I 上，分支點序列和 U2 snRNA 之間的雙鏈被 SF3B 複合物識別。Pre-B 複合體的結構闡明填補了剪接體對 Pre-mRNA 剪接的機制理解中的重要知識空白，揭示了酵母剪接體的組裝和激活機制。
釀酒酵母 Pre-B 和 B 複合體的冷凍電鏡結構（圖片來源：Science）
9. Mechanism of spliceosome remodeling by the ATPase/helicase Prp2 and its coactivator Spp2
（Science，26 Nov 2020）
通過阻滯方法獲得了高解析度的原位釀酒酵母剪接體（Bact complex）的電鏡結構，解析了 ATP 酶/解旋酶 Prp2 及其共激活劑 Spp2 重塑剪接體的機制，是國際上第一篇剪接體重塑機制的結構研究。
白蕊、施一公等揭示剪接體激活過程中結構重塑的分子機理（圖片來源：Science）
由保守的 ATP 酶/解旋酶（包括 Prp2）執行的剪接體重塑可以實現前體 mRNA 的剪接。然而目前對 ATP 酶/解旋酶功能的結構基礎仍然知之甚少。
在作者報道的 Bact 複合體中觀察到了未在結構研究中（如酵母或人類 Bact）觀察到的 RNA 解旋酶/ATP 酶 Prp2、其激活因子 G 蛋白 Spp2 及與 Prp2 結合識別的底物 pre-mRNA。
作者進而結合生化實驗，闡明瞭剪接體 Bact complex 重塑的發動機 Prp2 如何被募集到剪接體上、Spp2 如何穩定 Prp2 以及 Prp2 為何具有使底物 pre-mRNA 向其 3’端單向移動的方向性等關鍵科學問題。
ATP 酶/解旋酶 Prp2 在活化剪接體中的作用機制（圖片來源：Science）
10. Structure of the Activated Human Minor Spliceosome
（Science，28 Jan 2021）
（圖片來源：Science）
稀有內含子如 U12 被次要剪接體去除。與主剪接體相比，次要剪接體的組成、組裝、功能狀態、活化、調控和結構一直是個謎。
在這項研究中，白蕊及其同事在 U12 型內含子（僅佔人類基因組 1%）剪接實驗中組裝了活化的人源次要剪接體，並首次報道了人源次要剪接體高解析度（2.9 Å）的三維結構，解析了在剪接反應中的關鍵構象——激活態次要剪接體（次要 Bact 複合物）的結構及對稀有內含子（U12 依賴型內含子）的識別剪接機理。
主要 Bact 複合物的 13 種蛋白質，包括 5 種 NTC 和 NTR 組分，在次要 Bact 複合物的結構中不存在。
作者在活化的次要剪接體中發現五種發揮重要作用新蛋白 (ARMC7，CRIPT，RBM48，SCNM1 和 PPIL2)。5 個新鑑定的蛋白質穩定了催化中心的構象: 鋅指蛋白 SCNM1 功能上模擬主要剪接體的 SF3a 複合物，RBM48-ARMC7 複合物結合 U6atac snRNA 5’末端的 γ-單甲基磷酸帽，U-box 蛋白質 PPIL2 協調 U5 snRNA 的環 I 並穩定 U5 小核核糖核蛋白（snRNP），CRIPT 穩定 U12 snRNP。
（圖片來源：Science）
優秀的一個個成果背後，是白蕊堅定的信念、堅持和努力，讀博期間，她也曾因病痛低落迷茫至想要退學，也曾因為被競爭對手搶發文章而難過到徹夜難眠，這些都是科研道路上的萬千難關，她都一一克服。
白蕊說：「我做科研最大的動力是，想治療某一種疾病。」期待在不久的將來，她的科研成果可以造福更多的患者。
題圖來源：西湖大學官網
參考文獻：
1.Wan R, Yan C, Bai R, Wang L, Huang M, Wong CC, Shi Y. The 3.8 Å structure of the U4/U6.U5 tri-snRNP: Insights into spliceosome assembly and catalysis. Science. 2016 Jan 29;351(6272):466-75. doi: 10.1126/science.aad6466. Epub 2016 Jan 7. PMID: 26743623.
2.Yan C, Wan R, Bai R, Huang G, Shi Y. Structure of a yeast activated spliceosome at 3.5 Å resolution. Science. 2016 Aug 26;353(6302):904-11. doi: 10.1126/science.aag0291. Epub 2016 Jul 21. PMID: 27445306.
3.Wan R, Yan C, Bai R, Huang G, Shi Y. Structure of a yeast catalytic step I spliceosome at 3.4 Å resolution. Science. 2016 Aug 26;353(6302):895-904. doi: 10.1126/science.aag2235. Epub 2016 Jul 21. PMID: 27445308.
4.Yan C, Wan R, Bai R, Huang G, Shi Y. Structure of a yeast step II catalytically activated spliceosome. Science. 2017 Jan 13;355(6321):149-155. doi: 10.1126/science.aak9979. Epub 2016 Dec 15. PMID: 27980089.
5.Wan R, Yan C, Bai R, Lei J, Shi Y. Structure of an Intron Lariat Spliceosome from Saccharomyces cerevisiae. Cell. 2017 Sep 21;171(1):120-132.e12. doi: 10.1016/j.cell.2017.08.029. Epub 2017 Sep 14. PMID: 28919079.
6.Bai R, Yan C, Wan R, Lei J, Shi Y. Structure of the Post-catalytic Spliceosome from Saccharomyces cerevisiae. Cell. 2017 Dec 14;171(7):1589-1598.e8. doi: 10.1016/j.cell.2017.10.038. Epub 2017 Nov 16. PMID: 29153833.
7.Wan R, Bai R, Yan C, Lei J, Shi Y. Structures of the Catalytically Activated Yeast Spliceosome Reveal the Mechanism of Branching. Cell. 2019 Apr 4;177(2):339-351.e13. doi: 10.1016/j.cell.2019.02.006. Epub 2019 Mar 14. PMID: 30879786.
8.Bai R, Wan R, Yan C, Lei J, Shi Y. Structures of the fully assembled Saccharomyces cerevisiae spliceosome before activation. Science. 2018 Jun 29;360(6396):1423-1429. doi: 10.1126/science.aau0325. Epub 2018 May 24. PMID: 29794219.
9.Bai R, Wan R, Yan C, Jia Q, Lei J, Shi Y. Mechanism of spliceosome remodeling by the ATPase/helicase Prp2 and its coactivator Spp2. Science. 2021 Jan 8;371(6525):eabe8863. doi: 10.1126/science.abe8863. Epub 2020 Nov 26. PMID: 33243853.
10.Bai R, Wan R, Wang L, Xu K, Zhang Q, Lei J, Shi Y. Structure of the activated human minor spliceosome. Science. 2021 Mar 19;371(6535):eabg0879. doi: 10.1126/science.abg0879. Epub 2021 Jan 28. PMID: 33509932.
