溶液中RNase P RNA的构象空间研究

生物化学 生物物理学 生命科学
RNA构象 溶液原子力显微镜 深度学习 统计分析 酶活性

RNA构象空间的研究：RNase P RNA在溶液中的动态结构

学术背景

RNA的构象多样性在生物学中具有重要作用，尤其是在RNA剪接、包装、细胞转录激活以及环境刺激响应等过程中。然而，传统的生物物理技术无法直接可视化RNA在溶液中的完整构象空间。RNase P RNA是一种存在于所有生命体中的RNA酶，负责编辑前体tRNA（pre-tRNA）的5’端。由于其底物特异性广泛，RNase P RNA被认为具有高度的构象灵活性，这种灵活性与其酶活性所需的刚性结构之间存在着复杂的平衡关系。理解这种构象灵活性与结构刚性之间的关系，对于揭示RNA的功能和生物学意义至关重要。

论文来源

本论文由Yun-Tzai Lee、Maximilia F. S. Degenhardt、Ilias Skeparnias、Hermann F. Degenhardt、Yuba R. Bhandari、Ping Yu、Jason R. Stagno、Lixin Fan、Jinwei Zhang和Yun-Xing Wang共同撰写。研究团队来自美国国家癌症研究所（National Cancer Institute）、美国国家糖尿病、消化和肾脏疾病研究所（National Institute of Diabetes and Digestive and Kidney Diseases）以及Leidos生物医学研究公司（Leidos Biomedical Research, Inc.）。论文于2024年发表在《Nature》期刊上。

研究流程

1. 研究对象的准备

研究使用了来自Geobacillus stearothermophilus（Gst）的全长RNase P RNA。RNA通过体外转录（IVT）制备，并使用快速蛋白液相色谱（FPLC）进行纯化。纯化后的RNA在1 mM Mg²⁺的生理相关浓度下进行AFM成像。

2. 溶液原子力显微镜（AFM）成像

AFM成像在4°C下进行，使用Cypher VRS AFM仪器。RNA分子被固定在经过1-(3-氨基丙基)硅烷（APS）处理的云母表面上。AFM图像的分辨率为10-15 Å，能够清晰识别RNA的主要结构特征和整体折叠。

3. 构象结构的确定

从AFM图像中选择了158个独立的RNA分子，并使用HORNET软件包确定了每个分子的三维拓扑结构。这些构象结构通过小角X射线散射（SAXS）数据进行了验证，并根据回转半径（Rg）将构象分为三类：C1（紧凑构象）、C2（中等构象）和C3（扩展构象）。

4. 构象空间的分析

通过主成分分析（PCA）和原子运动相似性矩阵（AMSM）等方法，分析了RNA分子的构象空间。结果表明，RNase P RNA的S域（包括P7-P9、P10.1和P12）表现出最大的空间运动，振幅可达55 Å。此外，研究还揭示了RNA分子中不同结构域之间的相关运动。

5. Mg²⁺对构象空间的影响

通过SAXS和酶活性实验，研究了Mg²⁺浓度对RNase P RNA构象空间的影响。结果表明，随着Mg²⁺浓度的增加，RNA分子逐渐变得更加紧凑，酶活性也随之增强。特别是在1 mM以上的Mg²⁺浓度下，RNA的构象空间显著缩小，酶活性显著提高。

6. 序列与构象动态的关联

通过系统发育分析和构象动态分析，研究了RNase P RNA的序列保守性与构象动态之间的关系。结果表明，RNA的某些区域虽然序列保守性较低，但在构象上表现出较高的保守性，这可能是由于结构互补性驱动的。而另一些序列保守性较高的区域则表现出较高的构象动态性，这可能与其功能相关。

主要结果

  1. 构象多样性：RNase P RNA在溶液中表现出广泛的构象多样性，尤其是在S域（包括P7-P9、P10.1和P12）表现出最大的空间运动，振幅可达55 Å。
  2. Mg²⁺的影响：随着Mg²⁺浓度的增加，RNA分子逐渐变得更加紧凑，酶活性也随之增强。特别是在1 mM以上的Mg²⁺浓度下，RNA的构象空间显著缩小，酶活性显著提高。
  3. 序列与构象动态的关联：RNA的某些区域虽然序列保守性较低，但在构象上表现出较高的保守性，这可能是由于结构互补性驱动的。而另一些序列保守性较高的区域则表现出较高的构象动态性，这可能与其功能相关。

结论

本研究通过溶液AFM、深度神经网络和统计分析，首次直接可视化了RNase P RNA在溶液中的完整构象空间。研究揭示了RNase P RNA的构象多样性及其与酶活性和底物特异性之间的关系。此外，研究还表明，RNA的序列保守性与构象动态之间存在复杂的关联，这为理解RNA的功能和进化提供了新的视角。

研究亮点

  1. 直接可视化RNA构象空间：本研究首次通过溶液AFM直接可视化了RNA在溶液中的完整构象空间，为研究RNA的结构和动态提供了新的方法。
  2. 揭示RNA的构象多样性：研究揭示了RNase P RNA在溶液中的广泛构象多样性，尤其是在S域表现出最大的空间运动。
  3. Mg²⁺对RNA构象和酶活性的影响：研究表明，Mg²⁺浓度的增加显著缩小了RNA的构象空间，并提高了其酶活性。
  4. 序列与构象动态的关联：研究揭示了RNA序列保守性与构象动态之间的复杂关联，为理解RNA的功能和进化提供了新的视角。

研究意义

本研究不仅为理解RNase P RNA的结构和功能提供了新的见解，还为研究其他RNA分子的构象动态提供了新的方法。此外，研究还揭示了RNA序列保守性与构象动态之间的复杂关联，这为理解RNA的功能和进化提供了新的视角。