2013年12月15日，清华大学生命科学学院王宏伟教授课题组在《Nature》子刊《Nature Structural and Molecular Biology》在线发表题为“Visualization of Distinct Substrate Recruitment Pathways in the Yeast Exosome by EM”的研究论文，报道了不同RNA底物在蛋白复合物Exosome中的不同降解通路及结构调节机制。

在中心法则中，RNA由DNA转录而成，并经过复杂的转录后加工，成为成熟的多种RNA。细胞中的RNA质量控制，在细胞基因表达及调控的多个过程中发挥着不可缺少的作用，对细胞的发生、生长、分裂、分化、死亡等过程都具有重要意义。目前对细胞中的RNA质量控制，尤其是对RNA分子被降解的决定因素知之甚少。真核生物细胞中有多种识别及调控RNA降解的蛋白质大分子及其复合物，其中， Exosome复合体通过外切酶方式从RNA的3’端对RNA进行水解。

真核生物Exosome是由无酶活性的9亚基核心及具有促进RNA水解活性的亚基Rrp44组成的蛋白复合物。大量研究表明，Exosome在RNA加工成熟，质量控制及降解代谢过程中起着决定性的作用，该复合物及其任何一个亚基的缺失对有机体均是致死的。由于该复合物在体内负责加工和降解包括mRNA、tRNA及snoRNA等多种在序列及结构上具有较大差异的底物，因而该复合物如何识别不同种类底物，以及复合物内针对不同的底物是否存在不同的降解通路一直是该领域研究者的关注热点。

王宏伟教授实验室利用清华大学生命学院冷冻电子显微学平台，通过蛋白质单颗粒分析技术，对Exosome与不同种类RNA底物结合时的二维形态及三维结构进行解析，从而揭示Exosome内部存在至少两条RNA降解途径。一条通路中，线性RNA底物通过9亚基核心进入Rrp44亚基的降解活性区域（through-core route）；而另一条通路中，3’端单链RNA较短的底物（如tRNA等）则可以不通过9亚基核心直接进入Rrp44亚基活性区域被降解（direct route）。这也是生物学领域研究者首次用最直观的方式—结构解析，证明direct route的存在。

王宏伟教授课题组还充分利用电子显微镜的成像及计算优势，对Exosome与RNA底物在不同孵育时间点的反应体系进行了直接观测，通过多维统计分析，捕捉到该复合物在降解底物过程中的多种形态，并形象地展示了不同结构及通路间的可能变换过程。

该成果与美国康奈尔大学可爱龙教授研究组合作完成，是继2007年两个课题组合作首次揭示酵母exosome复合体三维模型（PNAS，2007）后的又一个重要发现。该工作中的多个重要的技术突破及创新发现均为王宏伟教授清华实验室在2011年成立以后完成。王宏伟教授为论文通讯作者，生科院11级PTN学生刘俊杰为该文第一作者。论文作者中还包括生科院12级学生牛楚雅。该论文研究工作得到了国家科技部及自然科学基金的大力支持，利用筹建中的国家蛋白质科学研究（北京）设施的相关设备及清华大学“探索100”高性能计算平台开展数据收集及计算工作。
 
原文摘要：

Visualization of distinct substrate-recruitment pathways in the yeast exosome by EM

The eukaryotic exosome is a multisubunit complex typically composed of a catalytically inactive core and the Rrp44 protein, which contains 3′-to-5′ exo- and endo-RNase activities. RNA substrates have been shown to be recruited through the core to reach Rrp44's exo-RNase (EXO) site. Using single-particle EM and biochemical analysis, we provide visual evidence that two distinct substrate-recruitment pathways exist. In the through-core route, channeling of the single-stranded substrates from the core to Rrp44 induces a characteristic conformational change in Rrp44. In the alternative direct-access route, this conformational change does not take place, and the RNA substrate is visualized to avoid the core and enter Rrp44's EXO site directly. Our results provide mechanistic explanations for several RNA processing scenarios by the eukaryotic exosome and indicate substrate-specific modes of degradation by this complex.