新方法可以對(duì) RNA 分子進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析

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

我們生活在一個(gè)由 RNA 制造和運(yùn)行的世界，RNA 是基因分子 DNA 的同等重要的兄弟姐妹。事實(shí)上，進(jìn)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(jìn)到現(xiàn)代人類(lèi)：科學(xué)表明，不到 3% 的人類(lèi)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(gè) 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(wú)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?yàn)樗鼈兊姆肿咏M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(xiàng)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(bào)告了一種全新的 RNA 分子結(jié)構(gòu)研究方法。 ROCK，正如它所說(shuō)的那樣，使用一種 RNA 納米技術(shù)，可以將多個(gè)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(gè) 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(duì)所含 RNA 亞基進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。他們的進(jìn)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(wèn)的 RNA 分子的 3D 結(jié)構(gòu)，”Yin 說(shuō)，他與 Liao 一起領(lǐng)導(dǎo)了這項(xiàng)研究. “我們預(yù)計(jì)這一進(jìn)展將振興基礎(chǔ)研究和藥物開(kāi)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(jī)器人計(jì)劃的負(fù)責(zé)人，也是 HMS 系統(tǒng)生物學(xué)系的教授。

獲得對(duì) RNA 的控制

威斯研究所的尹教授團(tuán)隊(duì)開(kāi)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(guò)將它們特異性連接在一起，它們的彎曲和移動(dòng)自由度受到高度限制。許多 RNA 以復(fù)雜但可預(yù)測(cè)的方式折疊，小片段彼此堿基配對(duì)。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(gè)粒子在低溫下被快速冷凍以防止任何進(jìn)一步的運(yùn)動(dòng)，然后通過(guò)電子顯微鏡和計(jì)算算法的幫助進(jìn)行可視化，這些算法比較粒子的 2D 表面投影的各個(gè)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(tuán)隊(duì)為快速發(fā)展的低溫電磁場(chǎng)以及特定蛋白質(zhì)形成的單個(gè)粒子的實(shí)驗(yàn)和計(jì)算分析做出了重要貢獻(xiàn)。

“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(shì)，但大多數(shù) RNA 的小尺寸和移動(dòng)趨勢(shì)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(guò)增加 RNA 的大小并減少其運(yùn)動(dòng)，同時(shí)解決了這兩個(gè)問(wèn)題，”同時(shí)也是 HMS 細(xì)胞生物學(xué)副教授的廖說(shuō)。 “我們的方法為通過(guò)冷凍電鏡快速測(cè)定許多 RNA 的結(jié)構(gòu)打開(kāi)了大門(mén)?！? RNA納米技術(shù)和cryo-EM方法的整合使該團(tuán)隊(duì)將他們的方法命名為“通過(guò)安裝接吻環(huán)實(shí)現(xiàn)RNA寡聚化的cryo-EM”（ROCK）。

為了為 ROCK 提供原理證明，該團(tuán)隊(duì)專注于來(lái)自四膜蟲(chóng) 單細(xì)胞生物 Azoarcus ，以及所謂的 FMN 核糖開(kāi)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(lái)才能生成成熟的 RNA。 FMN 核糖開(kāi)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(huì)轉(zhuǎn)換其 3D 構(gòu)象并抑制其母 RNA 的合成。

“將四膜蟲(chóng) 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(duì)稱性使用計(jì)算工具。雖然我們的數(shù)據(jù)集規(guī)模相對(duì)適中，但 ROCK 的先天優(yōu)勢(shì)使我們能夠以前所未有的分辨率解決結(jié)構(gòu)問(wèn)題，”Thélot 說(shuō)。 “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(méi)有 ROCK 就可以到達(dá)那里——或者至少在沒(méi)有更多資源的情況下不會(huì)?！?

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(kāi)關(guān)，該團(tuán)隊(duì)設(shè)法識(shí)別了 Azoarcus 內(nèi)含子在其自剪接過(guò)程中轉(zhuǎn)變的不同構(gòu)象，并揭示了 FMN 核糖開(kāi)關(guān)配體結(jié)合位點(diǎn)的相對(duì)構(gòu)象剛性。

該項(xiàng)研究展示了 RNA 納米技術(shù)如何作為促進(jìn)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(huì)對(duì)我們對(duì)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(lèi)型、組織和生物體的過(guò)程，甚至可以實(shí)現(xiàn)新的藥物開(kāi)發(fā)方法。

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