清华新闻网11月9日电 RNA具有多种重要的生理功能,可在遗传编码、基因表达、基因调控和酶催化等过程发挥作用。RNA功能的发挥与其可折叠形成复杂的三维空间结构以及构象的动态变化密切相关,在结合配体(例如蛋白质、DNA/RNA、小分子等)或响应环境(例如离子浓度、温度、pH或机械力)变化时,RNA往往发生构象状态的转变。研究表明,RNA的三维空间结构通常是在二级结构的基础上,由共轴堆积、假结结构(pseudoknot)、A-小沟模体(A-minor motif)以及“吻式”发夹(kissing loop)等三级相互作用模体(tertiary interaction motifs)稳定的。当前,人们对相关三级相互作用如何调控RNA的构象动态以实现RNA的多种生理功能的机制了解甚少。
黄病毒包括登革病毒、寨卡病毒和西尼罗河病毒等可在人群中引起感染,并导致一系列潜在的严重疾病。由于仍缺少有效的药物和疫苗,黄病毒的传播仍持续在全球形成健康威胁。黄病毒抗核酸外切酶RNA(xrRNA)是一类位于黄病毒基因组3’非翻译区的RNA结构元件(图1a),可以折叠成独特的环状结构(图1b),并抵抗宿主5’→3’核糖核酸外切酶Xrn1的降解,导致宿主细胞中亚基因组RNA(sfRNA)的形成与积累,后者与病毒的致病性和免疫逃逸密切相关。研究表明,在黄病毒家族中,xrRNA的一级序列与高级结构都是高度保守的。在稳定其环状高级结构的三级相互作用模体中,存在两个假结结构PK1和PK2,其中PK1的长度为2bp,而PK2的长度从2-7bp不等(图1c)。黄病毒xrRNA的PK2长度变化的生理意义,包括对xrRNA的结构、构象动态以及抵抗Xrn1的降解功能的影响尚不清楚。
11月5日,清华大学生命学院方显杨研究员与陈春来研究员课题组合作,在《自然·通讯》(Nature Communications)在线发表了题为“假结长度调控黄病毒xrRNA的折叠、构象动态与抗Xrn1酶切活性”(Pseudoknot length modulates the folding, conformational dynamics, and robustness of Xrn1 resistance of flaviviral xrRNAs)的研究论文。在该项研究中,方显杨与陈春来课题组合作发展了基于非天然碱基系统的长链RNA位点特异性荧光探针标记方法,揭示了黄病毒xrRNA的PK2长度变化对其折叠、构象动态和抗酶切活性调控的分子机制,相关研究成果为应用单分子荧光共振能量转移(smFRET)技术开展长链RNA的构象动态与功能关系的研究以及拓展黄病毒xrRNA在生物医学和生物材料中的潜在应用奠定了基础。
smFRET技术是研究生物大分子构象动态的重要手段,其应用前提是实现生物大分子位点特异性的荧光探针标记(图2a),而RNA特别是长链RNA的位点特异性荧光探针标记十分具有挑战性。在该研究中,基于非天然碱基系统(NaM-TPT3)(图2b),研究者首先发展了长链RNA位点特异性荧光探针标记方法,通过重叠延伸PCR及体外转录,分别向DNA模板和RNA转录本的特定位点引入非天然碱基对和炔基修饰的TPT3,进一步通过点击化学反应将叠氮修饰的荧光探针与炔基修饰的RNA耦联,从而实现对RNA的位点特异性荧光探针标记(图2c-d)。该标记技术突破了传统标记方法如化学合成等对RNA分子量的限制,可以高效、快速地实现对长链RNA位点特异性的荧光探针标记,将极大地推动smFRET技术在长链RNA构象动态研究中的应用。
图1.黄病毒xrRNA的PK2假结长度变化调控其构象动态和抗酶切活性的分子机制
接下来,研究者整合小角X射线散射(SAXS)、smFRET以及抗Xrn1酶切动力学实验技术,研究了来自黄病毒家族的11种PK2长度不同(2-7bp)的xrRNA在溶液中的折叠、构象动态及抗Xrn1酶切活性(图1d-f)。SAXS和酶切实验数据表明,xrRNA在溶液中的折叠(图1d)和抗酶切活性(图1e)均高度依赖于[Mg2+],并且受到PK2长度的调控,PK2长度较长的xrRNA在较低的Mg2+浓度即可折叠为环状高级结构并具备抵抗酶切的能力。smFRET实验数据表明(图1f),xrRNA在溶液中是高度动态的,存在未折叠态、中间态及折叠态三种状态,三种状态的比例分布受到[Mg2+]及PK2长度的协同调控,其动力学遵循由未折叠态到中间态再到折叠态的折叠路径。xrRNA在折叠态的比例与酶切降解速率之间的负相关性表明,xrRNA只有进入折叠态时才能抵抗酶切,并且受到解折叠动力学过程(由折叠态到中间态或未折叠态)的控制,因而,xrRNA的结构、构象动态与其抗酶切功能密切相关。进一步的研究表明,在高[Mg2+]条件下,PK2较长的xrRNA可以缓解因三级相互作用模体如PK1或J2/3的突变而对其结构、动态特性和抗酶切活性的影响。综合这些实验结果,研究者们提出了黄病毒xrRNA在溶液中受Mg2+及PK2长度协同调控的折叠自由能面图(图1g)。这些研究成果揭示了黄病毒xrRNA的结构、构象动态与功能之间的高度相关性和由三级相互作用模体调控RNA构象动态与功能的新机制。
图2.基于非天然碱基系统的长链RNA位点特异性荧光探针标记方法
生命学院方显杨研究员与陈春来研究员为该论文的共同通讯作者。清华大学生命学院2016级博士毕业生牛晓林和2017级直博生孙瑞瑞为该论文共同第一作者。生命学院合作交流研究生陈志凤、2017级直博生姚溢融参与了研究工作。美国阿贡国家实验室左孝兵为SAXS数据的收集作出了重要贡献。该研究受到国家自然科学基金委、北京结构生物学高精尖创新中心、北京市生物结构前沿研究中心的经费支持。
论文链接:
https://doi.org/10.1038/s41467-021-26616-x
供稿:生命学院
标题图设计:赵存存
编辑:陈晓艳
审核:吕婷
2021年11月09日 08:34:00
删除或更新信息,请邮件至freekaoyan#163.com(#换成@)
生命学院团队报道黄病毒xrRNA构象动态与功能调控的分子机制
本站小编 Free考研考试/2021-12-20
相关话题/病毒 结构 技术 论文 生物
环境学院王伟教授主持编写的 《车用生物天然气》和《生物天然气 术语》两项国标正式发布
清华新闻网11月5日电近日,由清华大学环境学院王伟教授等主持编写,中国标准化研究院、中国石油天然气股份有限公司石油化工研究院等单位共同编写的《车用生物天然气》和《生物天然气术语》两项国家标准,由国家市场监督管理总局(国家标准化管理委员会)正式发布。两项国家标准的发布不仅为我国生物天然气用于车用燃料提 ...清华大学通知公告 本站小编 Free考研考试 2021-12-20深圳国际研究生院多篇论文被2021年国际医学图像计算与计算机辅助介入大会录用
清华新闻网11月2日电近日,跨医学影像计算(MIC)和计算机辅助介入(CAI)两个领域的综合性国际顶级学术会议——2021年国际医学图像计算与计算机辅助介入大会(InternationalConferenceonMedicalImageComputingandComputerAssistedInte ...清华大学通知公告 本站小编 Free考研考试 2021-12-20医学院向烨课题组合作揭示委内瑞拉马脑炎病毒结合受体的分子机制
清华新闻网10月28日电委内瑞拉马脑炎病毒(Venezuelanequineencephalitisvirus,简称VEEV)是一种可以感染人类和所有马科动物的RNA包膜病毒,属于甲病毒家族,可以通过蚊子以及气溶胶传播,引发进行性中枢神经疾病和并发症,严重可导致死亡。此病毒在南美洲有大量感染病例报道 ...清华大学通知公告 本站小编 Free考研考试 2021-12-20深圳国际研究生院多篇论文被2021国际计算机视觉与模式识别大会接收
清华新闻网10月26日电近日,深圳国际研究生院信息科学与技术学部未来媒体实验室和智能计算实验室三篇论文被国际计算机视觉与模式识别大会(IEEE/CVFConferenceonComputerVisionandPatternRecognition(CVPR))2021接收。2019级控制工程专业硕士生 ...清华大学通知公告 本站小编 Free考研考试 2021-12-20清华计算机系师生论文在人机交互顶级国际会议获奖
清华计算机系师生论文在人机交互领域顶级国际会议获荣誉论文奖清华新闻网5月17日电日前,在法国巴黎举办的人机交互领域顶级国际会议ACMConferenceonHumanFactorsinComputingSystems(CHI2013)上,由清华大学计算机系教授史元春指导的 ...清华大学通知公告 本站小编 Free考研考试 2021-12-20自动化系教师获中国控制与决策会议最佳青年论文奖
清华自动化系教师获第25届中国控制与决策会议张嗣瀛最佳青年论文奖清华新闻网6月5日电5月25至27日,在中国贵阳举办的第25届中国控制与决策年会(CCDC)上,清华大学自动化系教师王薇(第一作者)与新加坡南洋理工大学博士生黄江帅共同撰写的论文《GloballyAdapti ...清华大学通知公告 本站小编 Free考研考试 2021-12-20医学院丁强和药学院饶燏课题组发现可高效抑制埃博拉病毒感染的化合物
清华新闻网10月26日电新发突发病毒性传染病严重威胁全球公共健康,近二十年来,呈现出愈演愈烈、愈发愈快的趋势。开发广谱、高效的抗病毒药物,是应对新发突发病毒性传染病的有利武器。埃博拉病毒是一种单股负链RNA病毒,有着比新冠病毒更高的致病性和死亡率(高达50%),近几年在刚果、几内亚等地多次局部暴发。 ...清华大学通知公告 本站小编 Free考研考试 2021-12-20自动化系博士毕业生胡瀚荣获2021年计算机视觉国际大会最佳论文奖
清华新闻网10月25日电近日,计算机视觉领域顶级国际会议2021年计算机视觉国际大会(ICCV2021)召开,自动化系博士毕业生、微软亚洲研究院主任研究员胡瀚作为唯一通讯作者和共同第一作者的论文《基于移动窗口的层次化视觉自注意力模型》(SwinTransformer:HierarchicalVisi ...清华大学通知公告 本站小编 Free考研考试 2021-12-20电机系康重庆教授荣获英国工程技术学会成就奖章
清华新闻网10月25日电近日,清华大学电机系康重庆教授获颁英国工程技术学会(IET,TheInstitutionofEngineeringandTechnology)的2021年成就奖章(IETAchievementMedals),以表彰他在能源电力领域取得的卓越成果。IET每年遴选工程与技术不同领 ...清华大学通知公告 本站小编 Free考研考试 2021-12-20深圳国际研究生院师生多篇论文被2021神经信息处理系统大会接收
清华新闻网10月21日电近日,深圳国际研究生院信息科学与技术学部夏树涛/江勇教授团队、王好谦教授团队和袁春副研究员团队的四篇论文被机器学习领域国际顶级会议神经信息处理系统大会(NeuralInformationProcessingSystems,NeurlPS2021)接收。2017级计算机科学与技 ...清华大学通知公告 本站小编 Free考研考试 2021-12-20