Nat Methods | RNA分子結(jié)構(gòu)研究新方法

原創(chuàng)?圖靈基因?圖靈基因?2022-06-06 10:14?發(fā)表于江蘇

收錄于合集#前沿分子生物學(xué)技術(shù)

為了了解單個(gè)RNA分子的作用，需要在原子和分子水平上破譯其3D結(jié)構(gòu)。用于研究DNA和蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的技術(shù)不能以幾乎相同的效果應(yīng)用于RNA分子，因?yàn)樗鼈兊姆肿咏M成和結(jié)構(gòu)靈活性阻止它們輕易形成晶體。

現(xiàn)在，已經(jīng)報(bào)道了一種全新的RNA分子結(jié)構(gòu)研究方法。該方法結(jié)合了RNA納米技術(shù)和冷凍電鏡方法，被命名為“RNA oligomerization-enabled cryo-EM via installing kissing loops”或ROCK。

ROCK使用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。

究人員以不同大小和功能的知名模型RNA作為基準(zhǔn)，使用冷凍電鏡證明他們的方法能夠?qū)λ琑NA亞基進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。

這項(xiàng)工作發(fā)表在《Nature Methods》上的一篇題為“Sub-3-? cryo-EM structure of RNA enabled by engineered homomeric self-assemble”的論文中。

“ROCK正在打破目前RNA結(jié)構(gòu)研究的限制，能夠以近原子分辨率解鎖現(xiàn)有方法難以或不可能獲得的RNA分子的3D結(jié)構(gòu)?！惫鸫髮W(xué)Wyss生物啟發(fā)工程研究所核心教員Peng Yin博士說(shuō)，“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的團(tuán)隊(duì)假設(shè)，允許DNA自組裝成大型結(jié)構(gòu)的策略，比如DNA折紙術(shù)，也可用于通過(guò)將天然存在的RNA分子特異性地連接在一起，將它們組裝成高度有序的環(huán)狀復(fù)合物。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)果往往是穩(wěn)定的“核心”和“莖環(huán)”膨脹到外圍。

“在我們的方法中，我們安裝了‘kissing loops’，將屬于同一RNA兩個(gè)拷貝的不同外周莖環(huán)連接起來(lái)，從而形成一個(gè)包含多個(gè)感興趣的RNA拷貝的整體穩(wěn)定的環(huán)?！盰in實(shí)驗(yàn)室的博士后研究員Di Liu博士說(shuō)，“我們推測(cè)，這些高階環(huán)可以通過(guò)cryo EM進(jìn)行高分辨率分析，該技術(shù)已首次成功應(yīng)用于RNA分子?！?/p>

“與傳統(tǒng)方法相比，Cryo EM在觀察蛋白質(zhì)、DNA和RNA等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)的成功測(cè)定。我們組裝RNA多聚體的新方法通過(guò)增加RNA的大小和減少其移動(dòng)，同時(shí)解決了這兩個(gè)問(wèn)題?！?哈佛醫(yī)學(xué)院細(xì)胞生物學(xué)副教授Maufu Liao博士說(shuō)，“我們的方法為利用cryo-EM快速測(cè)定許多RNA的結(jié)構(gòu)打開(kāi)了大門(mén)。”

為了證明ROCK的原理，該團(tuán)隊(duì)重點(diǎn)研究了來(lái)自單細(xì)胞生物四膜蟲(chóng)的一個(gè)大內(nèi)含子RNA，以及來(lái)自固氮細(xì)菌Azoarcus的一個(gè)小內(nèi)含子RNA，以及FMN核糖開(kāi)關(guān)。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。當(dāng)結(jié)合其中一種黃素單核苷酸（FMN）時(shí)，它會(huì)改變其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)，使樣本更加同質(zhì)，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)較小，但ROCK的先天優(yōu)勢(shì)使我們能夠以前所未有的分辨率解析結(jié)構(gòu)?！盠iao之前的研究生、麥肯錫公司的合伙人Fran?ois Thélot博士說(shuō)，“RNA的核心分辨率為2.85 ?，揭示了核苷酸堿基和糖骨架的詳細(xì)特征。我認(rèn)為如果沒(méi)有ROCK，我們就無(wú)法實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)——或者至少在沒(méi)有更多資源的情況下無(wú)法實(shí)現(xiàn)?！?/p>

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。