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嗜熱四膜蟲 I 型自剪接內(nèi)含子是第一個被鑒定為催化 RNA 的純 RNA 系統(tǒng)。 RNA 需要精確折疊成特定的三維結(jié)構(gòu)才能在從蛋白質(zhì)翻譯到剪接的生物過程中發(fā)揮作用，但似乎極易發(fā)生錯誤折疊。 與許多結(jié)構(gòu)化 RNA 一樣，四膜蟲核酶通過多種折疊途徑組裝，其中許多途徑最終進(jìn)入非天然動力學(xué)陷阱。 在體外標(biāo)準(zhǔn)條件下，一小部分四膜蟲核酶在 1 分鐘內(nèi)折疊到天然 (N) 狀態(tài)，而其余部分形成一個長壽命的錯誤折疊中間體 (M)，要在數(shù)小時乃至數(shù)天后重新折疊到 N 狀態(tài)。 這種化學(xué)開關(guān)的結(jié)構(gòu)機(jī)制仍然未知。

2022年9月6日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)張凱銘與美國斯坦福大學(xué)Rhiju Das、Wah Chiu教授團(tuán)隊合作在美國科學(xué)院院刊（PNAS）以直投方式（Direct submission）在線發(fā)表了冷凍電鏡解析純RNA三維結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的重要研究成果。 這是繼2021年8月全長四膜蟲核酶冷凍電鏡結(jié)構(gòu)被解析（Nature 2021）后，張凱銘團(tuán)隊在該領(lǐng)域的又一重要研究突破。

利用冷凍電鏡解析高異質(zhì)性和柔性樣品結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，研究人員解析了四膜蟲 L-21 ScaI 核酶的錯誤折疊結(jié)構(gòu)。從單個標(biāo)本中獲得了3種M亞態(tài)(M1、M2、M3)和1種N的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，總體分辨率分別為3.5 ?、3.8 ?、4.0 ?和3.0 ?。結(jié)構(gòu)比較表明，除了包含核酶鳥苷結(jié)合位點的核心螺旋P7的旋轉(zhuǎn)，以及連接P7與核酶核心其他元件的鏈J7/3和J8/7的交叉，M 亞態(tài)都與 N 高度相似（圖一）。

圖一：M和N拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的不同。

M 亞態(tài)和 N之間的這種拓?fù)洳町惤忉屃薓中5 ' -剪接位點底物對接失敗的原因，支持了由于受困鏈交叉導(dǎo)致M向N緩慢重新折疊的“拓?fù)洚悩?gòu)體”模型，并提出了M向N重新折疊的途徑（圖二）。

在從 M 到 N 的轉(zhuǎn)變過程中，J7/3 和 J8/7 的交叉使得從 M 到 N 的直接轉(zhuǎn)變在立體化學(xué)上是不可能的 (①)。 一個可能的 M-to-N 重折疊途徑涉及 P3 和外周三級作用位點（例如 L9-P5、P13、P14）的瞬時斷裂，這可以受許多因素的調(diào)節(jié)（②）。這些瞬時斷裂將允許 P8 旋轉(zhuǎn)，使 J7/3 和 J8/7 進(jìn)入正確位置 (③)。 P3 重組和 P7 旋轉(zhuǎn)將使 P7 與 P9.1 螺旋靠近，形成 P7多嘌呤相互作用并實現(xiàn)天然拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) (④)。

圖二： 一種可能的M-to-N重折疊途徑。在此示意圖中，螺旋顯示為圓柱體。外圍半透明區(qū)是指“外圍三級結(jié)構(gòu)的松動”。

總的來說，本工作中，科研人員確認(rèn)了M 和 N 之間存在的拓?fù)洳町?，并確定了交叉點涉及 J7/3 和 J8/7 核心鏈。 由于 J7/3 在前人的模型中沒有被視為潛在的可移動核心鏈，因此在之前的研究中沒有預(yù)料到這種特定的交叉，這說明了冷凍電鏡分析在揭示重要結(jié)構(gòu)特征方面的重要性和實用性。拓?fù)洚悩?gòu)體可能廣泛存在于復(fù)雜 RNA 的錯誤折疊中，這些冷凍電鏡結(jié)構(gòu)為剖析范式模型系統(tǒng)中的詳細(xì)動力學(xué)機(jī)制和后續(xù)功能研究奠定了基礎(chǔ)。

該研究獲得了中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)冷凍電鏡平臺和細(xì)胞動力學(xué)教育部重點實驗的大力支持。中國科大李珊珊副研究員為本文第一作者；中國科大張凱銘教授、美國斯坦福大學(xué)Rhiju Das、Wah Chiu教授為本文通訊作者。該項研究獲得中國科大科研啟動經(jīng)費和中科院率先行動引才計劃擇優(yōu)經(jīng)費的資助。

原文鏈接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2209146119

（生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)部、細(xì)胞動力學(xué)重點實驗室、冷凍電鏡平臺、科研部）