PNAS提出新視角：低溫下RNA的新生物化學

來源：作者：人氣：-發表時間：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中具有重要功能的生物分子，在生命的起源和進化中起著關鍵作用。RNA的組成與DNA非常相似，它能夠執行各種生物功能，這取決于它的空間構象，即分子在自身上折疊的方式。現在，發表在《美國國家科學院院刊》(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和生命進化開辟了一個新的視角。

這項研究由巴塞羅那大學物理系和納米科學與納米技術研究所(IN2UB)的Fèlix Ritort教授領導，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生物化學的新進展

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

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

布法羅大學凝聚態物理系小型生物系統實驗室主任Fèlix Ritort說:“生物分子的折疊結構，從DNA到RNA和蛋白質，決定了它們的生物作用。沒有結構就沒有功能，沒有功能就沒有生命。”

該研究表明，產生發夾結構的RNA序列在20°C以下開始采用新的緊湊結構。

“所有被研究的RNA分子在低溫下都有著意想不到的新結構，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時達到RNA的最大穩定性，此時水的密度最大。在5℃以下，新的RNA穩定性由核糖-水相互作用決定，直到-50℃，RNA再次展開，導致“冷變性”現象。

論文假設這個溫度范圍對所有RNA分子都是普遍的，盡管它受到序列和其他環境條件(如介質的鹽和酸度)的調節。

圖2 冷RNA錯誤折疊

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

為了得出結論，研究小組應用了光鑷力譜技術，這是一種精細而精確的分子熱力學測量技術。這項技術使得測量不同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-水鍵誘導的影響)。

超越了RNA的傳統觀點

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

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

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

參考資料

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