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研究人员利用下一代高通量测序技术，发现了一系列RNA分子折叠趋势的相似性，并将这些RNA分子称为核糖开关。
近日，由美国西北大学Julius Lucks教授领导的工程研究小组发现了作为细胞“生物传感器”的RNA通过控制基因表达来监测并应对环境变化的机制。这些发现可能会影响未来RNA特异性疗法的设计，并帮助开发用于测量环境中毒素的合成生物学工具。相关论文于10月21日发表在《自然•化学生物学》杂志上。
RNA分子在DNA等遗传信息的存储和传播、蛋白质等生命系统的功能中起着关键作用，其核心功能是在细胞内进行折纸式的复杂折叠。通过下一代高通量测序技术，利用化学成像的方法将RNA折叠成动态形状，Lucks等人发现了一系列RNA分子折叠趋势的相似性，并将这些RNA分子称为核糖开关。核糖开关作为天然的生物传感器会监测细胞的内部和外部状态。当核糖开关与一个分子结合时，它会改变分子的形状，导致基因表达的改变。
“这些核糖开关已经进化到可以折叠成非常特殊的形状，这样它们就可以识别其他化合物，与它们结合，改变它们的形状，并最终导致基因表达的改变。” Lucks说，“关于它们如何精确地折叠以及调整形状的研究很少。我们了解到，RNA处在一种进化压力下，它们不仅要折叠成最终的结构，还需要一条类似的、有效的路径。”
之前，Lucks和他的团队开发了一个能够在RNA合成过程中提供形状变化超高分辨率表征的平台。在新的研究中，Lucks将该系统应用于一种负责感应天然细胞警报的核糖开关——一种被称为ZTP的分子，它在细胞中起着“警报触发器”的作用。
尽管核糖开关和它们各自的目标化合物在结构和功能上存在差异，但Lucks发现，无论在哪种情况下，核糖开关都会遵循相同的折叠途径，即RNA分子在合成过程中所经过的一系列形状。
“一旦RNA被制造出来，它们会立即折叠成能够识别分子的形状。如果分子存在，形状就会锁定并保持结构不变，如果分子不存在，RNA就会自行降解。”他补充道：“无论你是想叠一只纸鹤还是纸青蛙，最初的几个步骤都差不多。虽然这些RNA看起来不同，但当把它们分解成折叠指令序列时，会发现惊人的相似之处。找到这些共同特性的连接为将这些原则编码为设计元素奠定了基础，以便我们能够利用它们。”
这项研究的用途可能包括未来的药物递送策略。Lucks相信他的实验室的工作将有助于治疗由RNA水平变异引发的疾病，包括脊髓性肌肉萎缩，这是一种由SMN基因错误剪接引起的神经肌肉疾病。
这些发现也代表了利用RNA作为天然生物传感器的重大进步。通过与西北大学合成生物学中心和水研究中心合作，Lucks的实验室正在研究如何在低成本的合成生物学平台上使用核糖开关来检测环境中的毒素，从而帮助提升农作物的健康水平和水质等。
Lucks说：“随着我们越来越多地了解RNA分子工作的原理，我们将尝试理解如何使它们更好地发挥作用。大自然可能已经进化到让RNA做一件事，我们希望它们能够更快、更灵敏地为我们工作。我们仍在学习如何做到这一点，但我们已经接近能够围绕这些原则进行设计的细节水平。”
科界原创
编译：花花
审稿：西莫
责编：张梦
期刊来源：《自然•化学生物学》
期刊编号：1552-4450
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