哈佛大学
这幅插图的灵感来自拉斯科洞穴中的旧石器时代岩画，象征着我们方法的首字母缩写，岩石
形象地说，背景中的岩石艺术图案(棕色)是四膜虫I组内含子的工程二聚体结构的2D投影，而前面的主要对象(蓝色)是二聚体的重建3D冷冻电镜图，其中一个单体处于焦点上，并被细化到高分辨率，使合作者能够建立RNA的原子模型
鸣谢:哈佛大学威斯研究所 我们生活在一个由RNA制造和运行的世界，RNA是遗传分子DNA的同等重要的兄弟
事实上，进化生物学家假设，甚至在DNA及其编码的蛋白质出现之前，RNA就已经存在并自我复制了
快进到现代人类:科学揭示，不到3%的人类基因组被转录成信使RNA (mRNA)分子，进而被翻译成蛋白质
相比之下，它的82%被转录成具有其他功能的RNA分子，其中许多仍然是个谜
为了理解单个RNA分子的作用，需要在组成它的原子和分子键的水平上破译它的三维结构
研究人员通常通过将DNA和蛋白质分子转化成规则排列的晶体来研究它们，这些晶体可以用X射线束(X射线结晶学)或无线电波(核磁共振)进行检查
然而，这些技术不能以几乎相同的效果应用于RNA分子，因为它们的分子组成和结构灵活性阻止它们容易地形成晶体
现在，由Wyss核心成员尹鹏博士领导的一项研究合作
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哈佛大学Wyss生物工程研究所和廖茂富博士
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在哈佛医学院(HMS)，报告了一种全新的RNA分子结构研究方法
这种被称为ROCK的技术使用了一种RNA纳米技术，这种技术允许它将多个相同的RNA分子组装成一种高度组织化的结构，这种结构显著降低了单个RNA分子的灵活性，并增加了它们的分子量
应用于众所周知的具有不同大小和功能的模型RNA作为基准，研究小组表明，他们的方法能够利用一种称为冷冻电子显微镜(cryo-EM)的技术对包含的RNA亚单位进行结构分析
他们的进展发表在《自然方法》杂志上
“ROCK正在打破目前RNA结构研究的限制，使RNA分子的三维结构能够以接近原子的分辨率解开，这是用现有方法很难或不可能获得的，”尹说，他与廖一起领导了这项研究
“我们希望这一进展能为基础研究和药物开发的许多领域注入活力，包括新兴的RNA疗法领域
尹也是Wyss研究所分子机器人计划的领导者，同时也是HMS系统生物学系的教授
获得对RNA的控制 Wyss研究所的尹(音译)的团队开创了各种方法，使DNA和RNA分子能够根据不同的原理和要求自我组装成大的结构，包括DNA砖块和DNA折纸
他们假设，这种策略也可以用于将自然存在的RNA分子组装成高度有序的环状复合物，在这种复合物中，它们弯曲和移动的自由受到特定连接的高度限制
许多RNA以复杂但可预测的方式折叠，小片段彼此碱基配对
其结果往往是稳定的“核心”和向外围凸出的“茎环”
“在我们的方法中，我们安装了‘接吻环’,将属于两个相同RNA拷贝的不同外周茎环连接起来，从而形成一个整体稳定的环，包含多个感兴趣的RNA拷贝，”刘地博士说
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他是尹所在团队的两位第一作者之一，也是一名博士后
“我们推测这些高阶环可以通过低温电子显微镜进行高分辨率分析，这种方法已经首次成功应用于RNA分子
" 描绘稳定的RNA 在cryo-EM中，许多单个粒子在低温下被快速冷冻，以防止任何进一步的移动，然后通过电子显微镜和计算算法的帮助进行可视化，比较粒子2D表面投影的各个方面，并重建其3D结构
彭和刘与廖以及他以前的研究生弗朗索瓦·塞洛特博士一起合作
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该研究的另一位共同第一作者
廖和他的团队在快速发展的低温电磁场和由特定蛋白质形成的单个粒子的实验和计算分析方面做出了重要贡献
“与传统方法相比，Cryo-EM在观察包括蛋白质、DNA和RNA在内的生物分子的高分辨率细节方面具有很大优势，但大多数RNA的小尺寸和移动趋势阻碍了RNA结构的成功确定
我们组装RNA多聚体的新方法通过增加RNA的大小和减少其移动同时解决了这两个问题，”HMS细胞生物学副教授廖说
“我们的方法打开了通过冷冻电镜快速确定许多RNA结构的大门
“RNA纳米技术和cryo-EM方法的整合导致该团队将他们的方法命名为“通过安装接吻环实现RNA寡聚化的cryo-EM”(ROCK)
为了给ROCK提供原理性证据，研究小组重点研究了单细胞生物四膜虫的一个大内含子RNA，固氮细菌固氮菌的一个小内含子RNA，以及所谓的FMN核糖开关
内含子RNA是分散在新转录的RNA序列中的非编码RNA序列，为了产生成熟的RNA，必须将其“剪接”出来
FMN核糖开关存在于细菌RNA中，参与维生素B2衍生的黄素代谢物的生物合成
在结合其中一个，黄素单核苷酸(FMN)时，它转换其三维构象并抑制其母RNA的合成
“四膜虫组I内含子组装成环状结构使得样品更加同质，并使得利用组装结构的对称性的计算工具的使用成为可能
虽然我们的数据集规模相对较小，但ROCK的先天优势使我们能够以前所未有的分辨率解析结构，”Thélot说
“RNA的核心在2
85[1 ngstrm是十亿分之一(美国)米，是结构生物学家使用的首选公制单位]，揭示了核苷酸碱基和糖主链的详细特征
我不认为没有岩石我们就能到达那里——或者至少没有更多的资源
" Cryo-EM还能够捕获不同状态的分子，例如，如果它们改变三维构象作为其功能的一部分
将ROCK应用于azarcus内含子RNA和FMN核糖开关，该团队成功识别了azarcus内含子在其自我剪接过程中转变的不同构象，并揭示了FMN核糖开关配体结合位点的相对构象刚性
“尹鹏和他的合作者的这项研究很好地展示了RNA纳米技术是如何作为一种加速器来推进其他学科的
能够可视化和理解许多自然发生的RNA分子的结构，可能会对我们理解不同细胞类型、组织和有机体的许多生物学和病理学过程产生巨大影响，甚至使新药开发方法成为可能
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