剪接体关键抗肿瘤药物靶点SF3b复合物的结构生物学研究

Spliceosome is an essential cellular machinery for eukaryotic pre-mRNA splicing. Elucidation of the atomic structures of spliceosome is vital for the understanding of the spliceosome assembly mechanism as well as the molecular processes underling the pre-mRNA splicing. SF3b complex is an important component of spliceosome that’s involved in the recognition of intron branch point sequence during pre-mRNA splicing. In addition, SF3b is frequently mutated in several types of tumors and it’s also the drug target of a few antitumor natural products and their synthetic derivatives, such as spliceostatin A. Currently, little is known about how SF3b functions in intron branch point recognition, and it’s also poorly understood about the pathogenic mechanism of SF3b in tumorigenesis as well as how it acts as an anti-tumor drug target. To address these questions, we set out to study the atomic structures of human and yeast SF3b complexes. In addition, we’ll also carry out structural studies on SF3b in complex with U2 snRNA and intron branch point RNA, and also on SF3b in complex with spliceostatin A. These studies will reveal the structural and functional mechanisms of the SF3b complex in pre-mRNA splicing. Furthermore, our research can provide structural insights into the pathogenic mechanisms of SF3b in tumorigenesis, and also reveal the drug pocket in SF3b and guide the SF3b-targeted drug development.

剪接体是一种非常重要的细胞内分子机器，关于它的结构生物学研究对于了解剪接体的组装以及pre-mRNA剪接过程的分子机理等至关重要。剪接体SF3b复合物参与剪接过程中内含子分支点序列的识别，是剪接体的重要组成。SF3b复合物与多种肿瘤的发生密切相关，它也是几类抗肿瘤化合物的药物靶点。目前，关于SF3b参与内含子分支点识别的分子机理尚不清楚，关于它引发肿瘤的致病机理以及抗肿瘤化合物在SF3b上的结合位点及其抑制肿瘤的结构机制等也仍不了解。针对这两方面的研究问题，本项目将依托上海光源的蛋白质设施五线六站，通过对SF3b以及与U2 snRNA及抗肿瘤化合物的复合物结构解析，研究SF3b在pre-mRNA剪接中的结构和功能机理，在三维结构水平上揭示SF3b在肿瘤发生中的致病机理，并探索基于SF3b的抗肿瘤药物作用机理，用于指导药物的设计和优化。

SF3B复合物是剪接体U2-snRNP的关键组分，其负责pre-mRNA剪接过程的内含子分支点序列识别，是参与选择内含子分支点腺苷酸和3’-剪接位点的重要剪接因子。近年来的肿瘤基因组测序研究发现，SF3B复合物中的SF3B1亚基是肿瘤中突变频率最高的剪接因子，并且存在肿瘤热点突变。SF3B1_K700E是肿瘤中突变频率最高的SF3B1突变，其影响内含子分支点腺苷酸和3’-剪接位点的正确选择，导致错误的pre-mRNA剪接模式，并造成基因组不稳定性和许多信号通路的异常调控。目前关于SF3B1_K700E突变是如何造成剪接体功能异常的结构机理仍不清楚。除了参与调控pre-mRNA剪接，SF3B复合物还结合许多无内含子mRNA和成熟mRNA，并通过与mRNA出核转运因子THO复合物的直接相互作用，介导mRNA的出核转运。关于SF3B复合物识别无内含子mRNA和成熟mRNA的分子机制仍有待研究。本项目通过对SF3B复合物与多种RNA分子的核糖核蛋白复合物的结构解析和功能研究，揭示了SF3B复合物通过非常类似的分子识别机制结合pre-mRNA–U2 snRNA双链和无内含子的组蛋白mRNA双链结构，分别调控pre-mRNA剪接和mRNA出核转运这两个分子过程。在SF3B与无内含子的组蛋白mRNA组成的复合物结构中，两条组蛋白mRNA形成具有5’-overhang的反向互补的RNA双链来模拟pre-mRNA–U2 snRNA的双链结构，并通过一个突出于RNA双链之外的腺苷酸来模拟内含子分支点腺苷酸插入到SF3B1亚基上。此外，我们还解析了含有SF3B1_K700E突变的SF3B复合物与pre-mRNA–U2 snRNA的核糖核蛋白复合物结构，并发现该突变改变了pre-mRNA内含子多聚嘧啶区域在SF3B1亚基K700位点的结合方式，进而影响了SF3B1蛋白与剪接体RES复合物蛋白RBMX2的结合。本项目的研究不仅揭示了SF3B复合物参与调控pre-mRNA剪接和mRNA出核转运双重功能的结构机制，还阐释了SF3B肿瘤相关突变造成pre-mRNA错误剪接模式的分子机制，为相关肿瘤的诊疗和靶向药物开发提供了重要的理论基础。