核糖核酸分子及其构造作用研究迎来新高潮
时间:2017-12-07

  核糖核酸分子的研究及其构造迎来新的高潮 - 新闻 - 科学网

  当Philip Bevilacqua决定研究活的植物细胞中所有RNA分子的形态时,他面临两个问题:第一,他从高中开始就没有研究过与植物有关的生物学,第二,生物化学家倾向于测试单个的RNA分子,在一个细胞中处理多个RNA分子是一个更棘手的挑战。

  帕克宾夕法尼亚大学的RNA化学家Bevilacqua并没有被这个难题所吓倒。他知道RNA分子是细胞生物学的重要监管者,其结构可能揭示了他们如何工作的重要秘密。为此,他重新进入他的本科课程学习植物解剖学,同时与植物分子生物学家Sarah Assmann一起研究一种可以大规模处理RNA的技术。

  2013年11月,Bevilacqua和Assmann的团队成为第一个描述单个活细胞中数百万个RNA的科学小组,并且揭示了一个真正多样化的野生拟南芥雕塑园(又称拟南芥),一个月后,加利福尼亚大学旧金山分校的研究人员发表了一项研究酵母和人类细胞的比较研究,研究人员以空前的数量研究RNA结构,北卡罗莱纳大学教堂山分校的RNA生物学家Alain Laederach说。

  在过去的几年中,科学家们已经改变了对RNA的态度。过去,大多数RNA被认为是软质面条这样的无聊物质。它们的主要功能是在DNA和蛋白质等重要分子之间传递信息。现在,生物学家已经认识到,RNA起着许多其他重要的基本功能:它们帮助蛋白质合成,控制基因活性和修饰其他RNA。此外,研究表明,至少有85%的人类基因组经历了基因转录成RNA,但事实确实如此。

  混乱的结构

  然而,一直困惑着复杂RNA结构的谜团。与形成可预测的双螺旋结构的DNA不同,RNA由单根纤维链组成,可折迭成各种微妙的环,凸起的假结和发夹形的三维结构。这些结构以不同的方式翻转和扭曲,并被认为是RNA功能的关键,但其确切的工作机制尚不清楚,这是理解RNA如何工作的一个难题,Jonathan Weissman,lead生物物理学家,酵母和人类RNA研究的领导者。

  在过去的几年中,研究人员逐渐在这个研究领域立足。 Bevilacqua,Weissman和其他人发明了能够深入了解细胞内大量RNA结构的技术。研究人员还发现,这些分子与RNA在人工条件下折迭时所观察到的完全不同。这项工作正在帮助科学家破译一些控制RNA结构的秘密。研究可能有助于了解人类遗传变异和疾病,甚至改善作物。

  相关研究涉及一些最基本的问题,如生物体是如何进化的,这些分子机制如何影响人类的外表和人类的功能。生物学家莱德拉赫(Laederach)做了这样一个令人兴奋的研究。

  RNA结构的最佳描述是由UNC的生物化学家Kevin Weeks提出的RNA岩石:随着其发展而在序列或结构上稍微改变的分子。它们包括转移RNA和核糖体RNA(两者都参与蛋白质合成)和酶促核酸(或核酶)。但在RNA的世界里,这些可能是异常的。周说。

  RNA的世界就像一个未被发现的沙子。我们不了解大多数RNA的结构。加州大学尔湾分校化学家罗伯特·斯皮塔尔说。当他们从他们的DNA模板准备,RNA分子通常表现为核苷酸的线性结构。它们迅速折迭并且互补的核苷酸相互配对。然后进一步扭曲成复杂的三维结构,与蛋白质和其他RNA发生反应,并根据不同的任务改变结构。

  检测RNA结构的大多数技术是利用核苷酸反应性或利用核苷酸对一些酶的敏感性:形成RNA对的那些和维持单链结构的那些显示出不同的反应性。接下来,科学家使用计算机程序来模拟分子的整体结构。但是这些实验是非常费力的,因为研究人员一次只能监测一个分子的一小部分。

  复杂的机制

  然而,随着PARS(斯坦福大学遗传学家Howard Howard和以色列Weizmann科学研究院的计算生物学家Eran Segal开发)的出现,这种情况在五年前已经发生了。该技术使用一种酶切割单链RNA和另一种切割双链RNA的酶。研究人员使用两种酶分别处理RNA样品,以创建两个切断的RNA的文库;他们然后测序并分析这两种RNA以查看哪些核苷酸可以配对,即使RNA成千上万的结构变化仍然可以立即配对。

  Chang和Segal首先在新发酵的酿酒酵母中使用PARS技术来了解超过3000个携带蛋白质构建密码的信使RNA的结构。虽然这些RNAs的结构是奇怪的,科学家已经找到解码RNA结构的线索:编码蛋白质的RNA区域通常比非编码区域的侧翼序列具有更多的比对的RNA,并且RNA结构更复杂。 Chang说这样一个模型有一定的合理性,因为非编码区往往与调节蛋白相互作用,所以我们需要处于一个更开放和更容易获取的位置。

  去年,研究生岳湾研究生领导的一项研究集中在人类信使RNA上。研究人员检查了从父母及其孩子的血细胞中收集到的超过20,000个信使RNA的结构。研究发现,在RNA区域中有大约1,900个单核苷酸变异,它们不负责蛋白质编码,这些RNA的结构也发生了变化。现在的问题是这些变化是否影响RNA的功能,或者这些变化是否只是一些背景噪音。

  至少有一些证据表明这些变化是重要的。今年5月,Laederach和他的团队报告了非编码区信使RNA变异与罕见的称为视网膜母细胞瘤(或遗传性眼癌)的关系。在健康人群中,这种信使RNA同时存在于三种结构中,但在两种疾病患者中,核苷酸变异迫使分子只以一种方式存在。 Laederach认为,类似的信使RNA折迭突变,即使是常见的发生机制,也可能是一些常见的人体特征,如高度变化的根本原因。

  但是,PARS技术也有一个主要的缺点。这种技术中使用的酶难以渗入细胞膜,因为科学家必须从细胞中提取RNA,破坏其天然结构。原则上,配对确保了RNA在试管中重新折迭时弹回到它们的形状。但事实上,这种技术去除了与RNA结合的蛋白质,这一过程严重地改变了RNA的分子结构。

  研究新的方法

  为了获得活RNA结构,许多科学家转向硫酸二甲酯(DMS),这是一种渗透到细胞内部的化学物质,它可以与两个腺嘌呤和四个细胞嘧啶反应相互作用,但前提是核苷酸必须处于未配对状态。研究人员然后将RNA转化为DNA并对其进行测序。研究发现,DMS在核苷酸作用下的任何变化将阻止RNA转化成DNA,因此科学家可以事先使用DNA缩短片段来鉴定未配对的核苷酸。

  许多科学家希望看到更多的RNA在一个细胞中折迭,因为他们相信相互作用的蛋白质会稳定细胞中的RNA结构。然而,韦斯曼和球队却发现了相反的情况。现在他们认为这种现象可能是由于细胞中的信使RNA在产生蛋白质方面更具基因活性,并且更易于被细胞蛋白质合成机器所接受。

  然而,DMS方法也有缺陷,该方法只能揭示可配对的两种核苷酸。为了获得关于细胞中每个RNA分子配对的信息,Chang和Spitale使用了称为SHAPE的结构发现技术。这项技术使他们能够推断出小鼠胚胎干细胞中超过19,000个RNA分子的结构,其结果在今年早些时候公布。研究人员说,信使RNA的常见化学修饰解开了分子的结构特征。他们还检测到一些独特的结构特征,通过预​​测蛋白质与RNA的结合来控制RNA的形状。

  一些研究人员已经开始采用这种技术。 Assmann和Bevilacqua正在利用水稻探查RNA的结构,并计划对其他重要作物进行同样的处理。他们希望找到方法来操纵RNA的形状,以提高作物的耐受性和产量。

  与此同时,Rouskin正在努力研究果蝇RNA,以更多地了解这些分子结构如何影响胚胎发育。现在我们终于有了一个研究工具。她说我们终于可以提出以前难以想象的问题。 (冯丽飞)

  中国科学通报(2015-08-03第3版国际)

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  自然报告(英文)