I 類內含子（Group I introns）作為最早發(fā)現的催化RNA之一，其自剪接與環(huán)化能力不僅是生命起源研究的重要線索，也構成了環(huán)狀RNA（circRNAs）體外合成的重要基礎。然而，包含完整外顯子序列的全長核酶結構及其自剪接與環(huán)化過程的動態(tài)調控機制仍有待進一步闡明。

2026年4月14日，中國科學技術大學生醫(yī)部張凱銘/李珊珊團隊在Nature Chemical Biology期刊上發(fā)表題為Self-splicing and cyclization mechanisms of the full-lengthAnabaenapre-tRNA的研究論文, 利用單顆粒冷凍電鏡技術捕捉了藍細菌魚腥藻（Anabaenasp. PCC 7120）tRNA(Leu) 前體在自剪接與環(huán)化過程中的多個關鍵構象狀態(tài)，系統(tǒng)揭示了其結構動態(tài)機制，并在此基礎上實現了環(huán)化效率的結構指導優(yōu)化。

多狀態(tài)結構解析：捕捉RNA催化全過程

研究團隊通過調控反應條件減緩自剪接過程，并結合硫代磷酸修飾策略，成功捕捉到Anabaena pre-tRNA在不同反應階段的構象狀態(tài)，包括Apo、Pre-1S、Pre-2S、線性內含子和環(huán)狀內含子等多個關鍵中間體（圖1）。結構分析顯示，在Apo狀態(tài)中，盡管P1螺旋尚未形成，tRNA外顯子已預先折疊為成熟的“L”形結構，為后續(xù)剪接反應提供了結構基礎。這一結果揭示了外顯子結構在剪接啟動中的關鍵作用。

圖1: 全長 Anabaena tRNA(Leu) 前體自剪接與環(huán)化的多狀態(tài)冷凍電鏡結構。a. Anabaena tRNA(Leu) 前體催化過程示意圖，包括自折疊、自剪接及內含子環(huán)化。b. 反應過程中涉及的化學官能團。c. tRNA(Leu) 前體二級結構示意。d-g. tRNA(Leu) 前體的冷凍電鏡重構結構。

剪接啟動：大尺度結構重排驅動催化

從Apo到Pre-1S狀態(tài)，RNA發(fā)生顯著構象變化：tRNA結構域發(fā)生了約18 ?的平移與180°的旋轉，P1/P1ext螺旋形成，P2螺旋發(fā)生約8 ?位移，J9.0/AC-arm從69°擴展至144°，為P1螺旋進入活性中心讓出空間。與此同時，G結合口袋（G binding site）與J8/7區(qū)域重排，形成了可以容納外源鳥苷（exoG）的催化環(huán)境。值得注意的是，此時exoG雖已結合，其O3'與剪接位點距離接近，但攻擊角度尚未達到催化要求，表明Pre-1S狀態(tài)為一個“預反應”構象，需要進一步微調才能啟動第一步剪接反應。

無損環(huán)化機制：同一活性位點再利用

與Tetrahymena、Azoarcus、T4 td等I類內含子在環(huán)化過程中會丟失若干5' 末端核苷酸不同，Anabaena內含子可在不丟失任何序列的情況下形成完整環(huán)狀RNA。通過RNase R消化、測序與電泳遷移率分析，研究團隊證實了其形成的環(huán)狀內含子為共價閉合、無額外殘基插入的完整環(huán)狀RNA。線性與環(huán)化內含子的結構比對顯示，兩者整體構象高度相似，表明G結合位點被再次用于環(huán)化反應，即ωG的3'-OH發(fā)起第三次親核攻擊完成環(huán)化。這一發(fā)現揭示了核酶通過“復用”同一催化中心實現不同反應步驟的機制，為理解RNA催化的靈活性提供了新的結構依據。

關鍵位點G37：調控環(huán)化效率的分子開關

研究團隊進一步發(fā)現，位于J2/3區(qū)域的G37在環(huán)化過程中發(fā)生了顯著的構象翻轉，通過堿基堆積穩(wěn)定P1延伸結構，從而精準定位環(huán)化位點。與此同時，保守的A1–U8堿基對及其與wobble受體基序（A57/A84）的相互作用共同參與環(huán)化位點的確定?；谶@一結構機制，研究團隊對G37進行單點突變（G37U、G37C），在三種不同的環(huán)化體系中均顯著提高了環(huán)化效率。在與最新TRIC-V2方法的對比中，結構優(yōu)化后的Anabaena PIE系統(tǒng)在最終產率上表現出更高優(yōu)勢。

金屬離子動態(tài)重排：催化過程的精細調控

作為經典金屬酶，I類內含子活性依賴于多個金屬離子（MA、MB/C、ME）的精準定位。本研究發(fā)現，在不同反應階段，MA、MB/C、ME等金屬離子在活性中心附近發(fā)生動態(tài)重排：從Apo狀態(tài)下遠離活性位點，到線性內含子中逐漸接近并參與配位，再到環(huán)化后重新調整位置。這些變化反映了催化過程中金屬離子對反應空間構型的精細調控，進一步揭示了RNA催化的分子基礎。

從機制到應用：推動環(huán)狀RNA技術發(fā)展

本研究不僅揭示了AnabaenaI類內含子自剪接與環(huán)化的結構動態(tài)機制，還首次得到了全長內含子序列環(huán)化的結構基礎，并基于G37及其PIE系統(tǒng)的等位突變實現了環(huán)化效率的結構指導性優(yōu)化。這些成果不僅加深了對RNA催化機制的理解，也為環(huán)狀RNA的體外合成、RNA藥物開發(fā)及相關生物技術應用提供了新的結構設計思路。

同時，該工作受邀配發(fā)Research Briefing（“Structural snapshots of self-splicing and circularization of the Anabaena precursor tRNA”），對研究的核心發(fā)現進行進一步解讀。該研究也是團隊在核酶結構與機制研究方向上的又一重要進展（Nature 2021; PNAS 2022; Nucleic Acids Research 2023; Nature Communications 2023; Nature 2025；Nature Catalysis 2025；Nature Communications 2026）。

中國科學技術大學生醫(yī)部博士研究生張曉靜為本文的第一作者，博士生安林鳳、伊然、劉霽和博士后楊雯在本研究中做出了重要貢獻，李珊珊副教授和張凱銘教授為本文的共同通訊作者。

https://www.nature.com/articles/s41589-026-02205-1

制版人： 十一

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