前沿資訊!納米衛星展示未來RNA醫學之路

RNA分子通常被認為是DNA和蛋白質之間的信使，但它也可以折疊成復雜的分子機器。天然存在的RNA機器的一個例子是核糖體，它在所有細胞中充當蛋白質工廠。

受天然RNA機器的啟發，跨學科納米科學中心(iNANO)的研究人員開發了一種稱為“RNA折紙”的方法，該方法可以設計從單個RNA林分折疊的人造RNA納米結構。該方法的靈感來自折紙藝術折紙，其中一張紙可以折疊成給定的形狀，例如紙鳥。

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冷凍褶皺提供新的見解

Nature Nanotechnology的研究論文描述了RNA折紙技術如何用于設計RNA納米結構，這些結構由丹麥國家冷凍電鏡設施EMBION的冷凍電子顯微鏡(cryo-EM)表征。冷凍電鏡是一種確定生物分子 3D 結構的方法，其工作原理是快速冷凍樣品，使水沒有時間形成冰晶，這意味著可以用電子顯微鏡更清楚地觀察冷凍的生物分子。

數千個分子的圖像可以在計算機上轉換為3D地圖，用于構建分子的原子模型。冷凍電鏡研究為RNA折紙的詳細結構提供了寶貴的見解，從而優化了設計過程并產生了更理想的形狀。

“通過冷凍電鏡的精確反饋，我們現在有機會微調我們的分子設計并構建日益復雜的納米結構，”奧胡斯大學iNANO副教授Ebbe Sloth Andersen解釋說。

發現緩慢折疊陷阱

RNA圓柱體樣品的冷凍電鏡圖像包含兩種非常不同的形狀，并且通過在不同時間冷凍樣品，很明顯兩種形狀之間正在發生過渡。使用小角X射線散射(SAXS)技術，樣品沒有凍結，研究人員能夠實時觀察這種轉變，并發現折疊轉變發生在大約10小時后。

研究人員發現了一種所謂的“折疊陷阱”，其中RNA在轉錄過程中被捕獲，然后才被釋放。

“發現一種RNA分子重新折疊的速度如此之慢，這是一個非常令人驚訝的，因為折疊通常在不到一秒鐘的時間內發生，”奧胡斯大學化學和iNANO系教授Jan Skov Pedersen說。

“我們希望能夠利用類似的機制在正確的時間和地點激活RNA療法，”該研究的第一作者Ewan McRae解釋說，他現在正在美國德克薩斯州休斯頓衛理公會研究所的“RNA治療中心”開始自己的研究小組。

從RNA構建納米衛星

為了證明復雜形狀的形成，研究人員將RNA矩形和圓柱體結合起來，創造了一個多域的“納米衛星”形狀，靈感來自哈勃太空望遠鏡。

“我設計納米衛星作為RNA設計如何允許我們探索折疊空間(折疊的可能性空間)和細胞內空間的象征，因為納米衛星可以在細胞中表達，”iNANO助理教授Cody Geary說，他最初開發了RNA-折紙方法。

然而，由于其柔性特性，衛星被證明難以通過冷凍電鏡表征，因此樣品被送到美國的實驗室，在那里他們專門通過電子斷層掃描確定單個顆粒的3D結構，即所謂的IPET方法。

“RNA衛星是一個巨大的挑戰!但是通過使用我們的IPET方法，我們能夠表征單個粒子的3D形狀，從而確定納米衛星上動態太陽能電池板的位置，“美國加利福尼亞州勞倫斯伯克利國家實驗室分子鑄造廠的Gary Ren說。

RNA醫學的未來

對RNA折紙的研究有助于改善用于醫學和合成生物學的RNA分子的合理設計。由諾和諾德基金會支持的一個新的跨學科聯盟COFOLD將繼續研究RNA折疊過程，讓計算機科學，化學，分子生物學和微生物學的研究人員參與設計，模擬和測量更高時間分辨率的折疊。

“隨著RNA設計問題的部分解決，現在創建可用于基于RNA的藥物的功能性RNA納米結構的道路已經開放，或者作為RNA調節元件來重新編程細胞，”Ebbe Sloth Andersen說。