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，進化生物學家假設 RNA 甚至在 DNA 及其編碼的蛋白質出現(xiàn)之前就存在并自我復制。   快進到現(xiàn)代人類：科學表明，不到 3% 的人類基因組被轉錄成信使 RNA (mRNA) 分子，而信使 RNA (mRNA) 分子又被翻譯成蛋白質。  相比之下，其中 82% 被轉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 結構。  研究人員經(jīng)常研究 DNA 和蛋白質分子，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）或無線電波（核磁共振）檢查。   然而，這些技術不能以幾乎相同的效率應用于 RNA 分子，因為它們的分子組成和結構靈活性阻止它們容易形成晶體。

現(xiàn)在，由 Wyss Core 教員 Peng Yin 博士領導的一項研究合作。 在哈佛大學 Wyss 仿生工程研究所和 Maufu Liao 博士。 在哈佛醫(yī)學院 (HMS)，報告了一種全新的 RNA 分子結構研究方法。 ROCK，正如它所說的那樣，使用一種 RNA 納米技術，可以將多個相同的 RNA 分子組裝成高度有序的結構，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，表明他們的方法能夠使用稱為低溫電子顯微鏡 (cryo-EM) 的技術對所含 RNA 亞基進行結構分析。 他們的進展發(fā)表在 Nature Methods 中。

“ROCK 正在打破目前 RNA 結構研究的限制，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 結構，”Yin 說，他與 Liao 一起領導了這項研究.  “我們預計這一進展將振興基礎研究和藥物開發(fā)的許多領域，包括新興的 RNA 治療領域?！? Yin 還是 Wyss 研究所分子機器人計劃的負責人，也是 HMS 系統(tǒng)生物學系的教授。

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構，包括 DNA 磚和 DNA 折紙。  他們假設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 以復雜但可預測的方式折疊，小片段彼此堿基配對。  結果通常是穩(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 結構.  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、DNA 和 RNA 在內的生物分子的高分辨率細節(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 結構的成功確定。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 細胞生物學副教授的廖說。   “我們的方法為通過冷凍電鏡快速測定許多 RNA 的結構打開了大門?！?  RNA納米技術和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 單細胞生物 Azoarcus ，以及所謂的 FMN 核糖開關. 內含子 RNA 是散布在新轉錄的 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 核糖開關存在于與維生素 B2 衍生的黃素代謝物生物合成有關的細菌 RNA 中。 在結合其中一種黃素單核苷酸 (FMN) 后，它會轉換其 3D 構象并抑制其母 RNA 的合成。

“將四膜蟲 I 組內含子組裝成環(huán)狀結構使樣品更加均勻，并能夠利用組裝結構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構問題，”Thélot 說。 “RNA 的核心分辨率為 2.85 ? [1 ?ngstr?m 是 100 億 (US) 米，是結構生物學家使用的首選度量標準]，揭示了核苷酸堿基和糖骨架的詳細特征。我不認為我們沒有 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 構象作為其功能的一部分。 將 ROCK 應用于 Azoarcus 內含子 RNA 和 FMN 核糖開關，該團隊設法識別了 Azoarcus 內含子在其自剪接過程中轉變的不同構象，并揭示了 FMN 核糖開關配體結合位點的相對構象剛性。

該項研究展示了 RNA 納米技術如何作為促進其他學科發(fā)展的加速器，能夠可視化和理解許多天然存在的 RNA 分子的結構可能會對我們對許多生物學和病理學的理解產生巨大影響跨不同細胞類型、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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