新方法可以對 RNA 分子進行結(jié)構(gòu)分析

發(fā)布時間：2022-05-05 10:48:00作者：輝駿生物-fitgene

我們生活在一個由 RNA 制造和運行的世界，RNA 是基因分子 DNA 的同等重要的兄弟姐妹。事實上，進化生物學(xué)家假設(shè) RNA 甚至在 DNA 及其編碼的蛋白質(zhì)出現(xiàn)之前就存在并自我復(fù)制。快進到現(xiàn)代人類：科學(xué)表明，不到 3% 的人類基因組被轉(zhuǎn)錄成信使 RNA (mRNA) 分子，而信使 RNA (mRNA) 分子又被翻譯成蛋白質(zhì)。相比之下，其中 82% 被轉(zhuǎn)錄成具有其他功能的 RNA 分子，其中許多功能仍然很神秘。

要了解單個 RNA 分子的作用，需要在其組成原子和分子鍵的水平上破譯其 3D 結(jié)構(gòu)。研究人員經(jīng)常研究 DNA 和蛋白質(zhì)分子，方法是將它們變成規(guī)則堆積的晶體，可以用 X 射線束（X 射線晶體學(xué)）或無線電波（核磁共振）檢查。然而，這些技術(shù)不能以幾乎相同的效率應(yīng)用于 RNA 分子，因為它們的分子組成和結(jié)構(gòu)靈活性阻止它們?nèi)菀仔纬删w。

現(xiàn)在，由 Wyss Core 教員 Peng Yin 博士領(lǐng)導(dǎo)的一項研究合作。在哈佛大學(xué) Wyss 仿生工程研究所和 Maufu Liao 博士。在哈佛醫(yī)學(xué)院 (HMS)，報告了一種全新的 RNA 分子結(jié)構(gòu)研究方法。 ROCK，正如它所說的那樣，使用一種 RNA 納米技術(shù)，可以將多個相同的 RNA 分子組裝成高度有序的結(jié)構(gòu)，從而顯著降低單個 RNA 分子的靈活性并使其分子量成倍增加。研究小組將具有不同大小和功能的著名模型 RNA 用作基準(zhǔn)，表明他們的方法能夠使用稱為低溫電子顯微鏡 (cryo-EM) 的技術(shù)對所含 RNA 亞基進行結(jié)構(gòu)分析。他們的進展發(fā)表在 Nature Methods 中。

“ROCK 正在打破目前 RNA 結(jié)構(gòu)研究的限制，并能夠以近原子分辨率解鎖現(xiàn)有方法難以或不可能訪問的 RNA 分子的 3D 結(jié)構(gòu)，”Yin 說，他與 Liao 一起領(lǐng)導(dǎo)了這項研究. “我們預(yù)計這一進展將振興基礎(chǔ)研究和藥物開發(fā)的許多領(lǐng)域，包括新興的 RNA 治療領(lǐng)域?！? Yin 還是 Wyss 研究所分子機器人計劃的負(fù)責(zé)人，也是 HMS 系統(tǒng)生物學(xué)系的教授。

獲得對 RNA 的控制

威斯研究所的尹教授團隊開創(chuàng)了各種方法，使 DNA 和 RNA 分子能夠根據(jù)不同的原理和要求自組裝成大型結(jié)構(gòu)，包括 DNA 磚和 DNA 折紙。他們假設(shè)這種策略也可用于將天然存在的 RNA 分子組裝成高度有序的環(huán)狀復(fù)合物，通過將它們特異性連接在一起，它們的彎曲和移動自由度受到高度限制。許多 RNA 以復(fù)雜但可預(yù)測的方式折疊，小片段彼此堿基配對。結(jié)果通常是穩(wěn)定的“核心”和“莖環(huán)”向外圍凸出。

描繪穩(wěn)定的 RNA

在低溫 EM 中，許多單個粒子在低溫下被快速冷凍以防止任何進一步的運動，然后通過電子顯微鏡和計算算法的幫助進行可視化，這些算法比較粒子的 2D 表面投影的各個方面并重建其 3D 結(jié)構(gòu). Peng 和 Liu 與 Liao 和他的前研究生 Fran?ois Thélot 博士合作，后者是該研究的另一位共同第一作者。 Liao 和他的團隊為快速發(fā)展的低溫電磁場以及特定蛋白質(zhì)形成的單個粒子的實驗和計算分析做出了重要貢獻。

“與傳統(tǒng)方法相比，Cryo-EM 在查看包括蛋白質(zhì)、DNA 和 RNA 在內(nèi)的生物分子的高分辨率細(xì)節(jié)方面具有很大優(yōu)勢，但大多數(shù) RNA 的小尺寸和移動趨勢阻礙了 RNA 結(jié)構(gòu)的成功確定。我們組裝 RNA 多聚體的新方法通過增加 RNA 的大小并減少其運動，同時解決了這兩個問題，”同時也是 HMS 細(xì)胞生物學(xué)副教授的廖說。 “我們的方法為通過冷凍電鏡快速測定許多 RNA 的結(jié)構(gòu)打開了大門。” RNA納米技術(shù)和cryo-EM方法的整合使該團隊將他們的方法命名為“通過安裝接吻環(huán)實現(xiàn)RNA寡聚化的cryo-EM”（ROCK）。

為了為 ROCK 提供原理證明，該團隊專注于來自四膜蟲單細(xì)胞生物 Azoarcus ，以及所謂的 FMN 核糖開關(guān). 內(nèi)含子 RNA 是散布在新轉(zhuǎn)錄的 RNA 序列中的非編碼 RNA 序列，必須“剪接”出來才能生成成熟的 RNA。 FMN 核糖開關(guān)存在于與維生素 B2 衍生的黃素代謝物生物合成有關(guān)的細(xì)菌 RNA 中。在結(jié)合其中一種黃素單核苷酸 (FMN) 后，它會轉(zhuǎn)換其 3D 構(gòu)象并抑制其母 RNA 的合成。

“將四膜蟲 I 組內(nèi)含子組裝成環(huán)狀結(jié)構(gòu)使樣品更加均勻，并能夠利用組裝結(jié)構(gòu)的對稱性使用計算工具。雖然我們的數(shù)據(jù)集規(guī)模相對適中，但 ROCK 的先天優(yōu)勢使我們能夠以前所未有的分辨率解決結(jié)構(gòu)問題，”Thélot 說。 “RNA 的核心分辨率為 2.85 ? [1 ?ngstr?m 是 100 億 (US) 米，是結(jié)構(gòu)生物學(xué)家使用的首選度量標(biāo)準(zhǔn)]，揭示了核苷酸堿基和糖骨架的詳細(xì)特征。我不認(rèn)為我們沒有 ROCK 就可以到達那里——或者至少在沒有更多資源的情況下不會?！?

Cryo-EM 還能夠捕獲處于不同狀態(tài)的分子，例如，如果它們改變其 3D 構(gòu)象作為其功能的一部分。將 ROCK 應(yīng)用于 Azoarcus 內(nèi)含子 RNA 和 FMN 核糖開關(guān)，該團隊設(shè)法識別了 Azoarcus 內(nèi)含子在其自剪接過程中轉(zhuǎn)變的不同構(gòu)象，并揭示了 FMN 核糖開關(guān)配體結(jié)合位點的相對構(gòu)象剛性。

該項研究展示了 RNA 納米技術(shù)如何作為促進其他學(xué)科發(fā)展的加速器，能夠可視化和理解許多天然存在的 RNA 分子的結(jié)構(gòu)可能會對我們對許多生物學(xué)和病理學(xué)的理解產(chǎn)生巨大影響跨不同細(xì)胞類型、組織和生物體的過程，甚至可以實現(xiàn)新的藥物開發(fā)方法。

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