2022-06-06

Nat Methods | RNA分子结构研究新方法

原创 图灵基因 图灵基因 2022-06-06 10:14 发表于江苏

收录于合集#前沿分子生物学技术

为了了解单个RNA分子的作用，需要在原子和分子水平上破译其3D结构。用于研究DNA和蛋白质结构的技术不能以几乎相同的效果应用于RNA分子，因为它们的分子组成和结构灵活性阻止它们轻易形成晶体。

现在，已经报道了一种全新的RNA分子结构研究方法。该方法结合了RNA纳米技术和冷冻电镜方法，被命名为“RNA oligomerization-enabled cryo-EM via installing kissing loops”或ROCK。

ROCK使用RNA纳米技术，可以将多个相同的RNA分子组装成高度有序的结构，从而显著降低单个RNA分子的灵活性并使其分子量成倍增加。

究人员以不同大小和功能的知名模型RNA作为基准，使用冷冻电镜证明他们的方法能够对所含RNA亚基进行结构分析。

这项工作发表在《Nature Methods》上的一篇题为“Sub-3-Å cryo-EM structure of RNA enabled by engineered homomeric self-assemble”的论文中。

“ROCK正在打破目前RNA结构研究的限制，能够以近原子分辨率解锁现有方法难以或不可能获得的RNA分子的3D结构。”哈佛大学Wyss生物启发工程研究所核心教员Peng Yin博士说，“我们预计这一进展将振兴基础研究和药物开发的许多领域，包括新兴的RNA治疗领域。”

Yin的团队假设，允许DNA自组装成大型结构的策略，比如DNA折纸术，也可用于通过将天然存在的RNA分子特异性地连接在一起，将它们组装成高度有序的环状复合物。许多RNA以复杂但可预测的方式折叠，小片段彼此碱基配对。结果往往是稳定的“核心”和“茎环”膨胀到外围。

“在我们的方法中，我们安装了‘kissing loops’，将属于同一RNA两个拷贝的不同外周茎环连接起来，从而形成一个包含多个感兴趣的RNA拷贝的整体稳定的环。”Yin实验室的博士后研究员Di Liu博士说，“我们推测，这些高阶环可以通过cryo EM进行高分辨率分析，该技术已首次成功应用于RNA分子。”

“与传统方法相比，Cryo EM在观察蛋白质、DNA和RNA等生物分子的高分辨率细节方面具有很大优势，但大多数RNA的小尺寸和移动趋势阻碍了RNA结构的成功测定。我们组装RNA多聚体的新方法通过增加RNA的大小和减少其移动，同时解决了这两个问题。” 哈佛医学院细胞生物学副教授Maufu Liao博士说，“我们的方法为利用cryo-EM快速测定许多RNA的结构打开了大门。”

为了证明ROCK的原理，该团队重点研究了来自单细胞生物四膜虫的一个大内含子RNA，以及来自固氮细菌Azoarcus的一个小内含子RNA，以及FMN核糖开关。FMN核糖开关存在于与维生素B2衍生的黄素代谢物生物合成有关的细菌RNA中。当结合其中一种黄素单核苷酸（FMN）时，它会改变其3D构象并抑制其母RNA的合成。

“将四膜虫I组内含子组装成环状结构，使样本更加同质，并能够利用组装结构的对称性使用计算工具。虽然我们的数据集规模相对较小，但ROCK的先天优势使我们能够以前所未有的分辨率解析结构。”Liao之前的研究生、麦肯锡公司的合伙人François Thélot博士说，“RNA的核心分辨率为2.85 Å，揭示了核苷酸碱基和糖骨架的详细特征。我认为如果没有ROCK，我们就无法实现这一目标——或者至少在没有更多资源的情况下无法实现。”

将ROCK应用于Azoarcus内含子RNA和FMN核糖开关，该团队设法识别了Azoarcus内含子在其自剪接过程中转变的不同构象，并揭示了FMN核糖开关配体结合位点的相对构象刚性。