PNAS提出新視角：低溫下RNA的新生物化學(xué)

來源：作者：人氣：-發(fā)表時(shí)間：2024-09-12 10:11:00【大中小】

摘要：一篇論文首次描述了RNA在低溫下折疊的過程

核糖核酸(RNA)是一種在生物遺傳學(xué)中具有重要功能的生物分子，在生命的起源和進(jìn)化中起著關(guān)鍵作用。RNA的組成與DNA非常相似，它能夠執(zhí)行各種生物功能，這取決于它的空間構(gòu)象，即分子在自身上折疊的方式。現(xiàn)在，發(fā)表在《美國國家科學(xué)院院刊》(PNAS)上的一篇論文首次描述了RNA在低溫下折疊的過程如何為研究地球上的原始生物化學(xué)和生命進(jìn)化開辟了一個(gè)新的視角。

這項(xiàng)研究由巴塞羅那大學(xué)物理系和納米科學(xué)與納米技術(shù)研究所(IN2UB)的Fèlix Ritort教授領(lǐng)導(dǎo)，該研究所的專家Paolo Rissone, Aurélien Severino和 Isabel Pastor也參與了研究。

圖1 通用低溫RNA相變

低溫下RNA生物化學(xué)的新進(jìn)展

RNA是由核糖(一種單糖)分子與磷酸基團(tuán)結(jié)合形成的，磷酸基團(tuán)與四種含氮堿基結(jié)合:腺嘌呤(a)、鳥嘌呤(G)、胞嘧啶(C)和尿嘧啶(U)。堿基序列和RNA的三維結(jié)構(gòu)都是決定RNA分子功能多樣性的決定性因素。

研究小組利用RNA的機(jī)械展開來精確地理解RNA在自身折疊時(shí)所采取的各種形式。

布法羅大學(xué)凝聚態(tài)物理系小型生物系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室主任Fèlix Ritort說:“生物分子的折疊結(jié)構(gòu)，從DNA到RNA和蛋白質(zhì)，決定了它們的生物作用。沒有結(jié)構(gòu)就沒有功能，沒有功能就沒有生命。”

該研究表明，產(chǎn)生發(fā)夾結(jié)構(gòu)的RNA序列在20°C以下開始采用新的緊湊結(jié)構(gòu)。

“所有被研究的RNA分子在低溫下都有著意想不到的新結(jié)構(gòu)，我們確定了+20°C到-50°C之間的溫度范圍。在+20°C以下，核糖-水的相互作用開始變得重要，在+5°C時(shí)達(dá)到RNA的最大穩(wěn)定性，此時(shí)水的密度最大。在5℃以下，新的RNA穩(wěn)定性由核糖-水相互作用決定，直到-50℃，RNA再次展開，導(dǎo)致“冷變性”現(xiàn)象。

論文假設(shè)這個(gè)溫度范圍對所有RNA分子都是普遍的，盡管它受到序列和其他環(huán)境條件(如介質(zhì)的鹽和酸度)的調(diào)節(jié)。

圖2 冷RNA錯(cuò)誤折疊

這些RNA序列是簡單的結(jié)構(gòu)，通過形成互補(bǔ)堿基對來穩(wěn)定，其中腺嘌呤與尿嘧啶(A-U)結(jié)合，鳥嘌呤與胞嘧啶(G-C)結(jié)合。研究人員認(rèn)為，這些新結(jié)構(gòu)“是由于核糖和水之間形成了氫鍵，其重量與RNA中互補(bǔ)堿基(A-U和G-C)之間的相互作用一樣大，甚至更大。事實(shí)上，這種現(xiàn)象只在RNA中觀察到，而在DNA中沒有觀察到，脫氧核糖2 '位置的質(zhì)子不會與水形成氫鍵。”

為了得出結(jié)論，研究小組應(yīng)用了光鑷力譜技術(shù)，這是一種精細(xì)而精確的分子熱力學(xué)測量技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)使得測量不同RNA折疊過程中的熵變和熱容成為可能。因此，它檢測到折疊態(tài)的熱容在20°C左右下降，表明折疊RNA的自由度減少(可能是由于核糖-水鍵誘導(dǎo)的影響)。

超越了RNA的傳統(tǒng)觀點(diǎn)

但是這種現(xiàn)象對RNA的生物化學(xué)和生物學(xué)功能有什么影響呢?首先要注意的是，核糖-水相互作用的主導(dǎo)地位代表了迄今為止已知的規(guī)則的改變，這些規(guī)則決定了RNA生物化學(xué)如何通過A- u和G-C配對以及堿基對堿基堆疊力來穩(wěn)定。

“我們在文章中定義的這種新的生物化學(xué)變化對生活在地球寒冷地區(qū)的生物(嗜冷生物)有影響，從高山地區(qū)到海洋和北極地區(qū)的深水，在低于10攝氏度的鹽水共晶階段。”

除了特定的a - u和G-C配對規(guī)則之外，“由核糖-水相互作用決定的新的RNA生物化學(xué)表明，存在一種基于核糖和其他糖的原始的、粗糙的生物化學(xué)，這種生物化學(xué)比RNA本身更早，我們稱之為甜RNA世界。這種原始的生物化學(xué)可能是在廣闊的外層空間的寒冷環(huán)境中開始進(jìn)化的，最有可能是在靠近恒星的天體上，并受到冷熱循環(huán)的影響。”

參考資料

[1] Synthesis of 2′-formamidonucleoside phosphoramidites for suppressing the seed-based off-target effects of siRNAs.