前沿资讯!纳米卫星展示未来RNA医学之路

RNA分子通常被认为是DNA和蛋白质之间的信使，但它也可以折叠成复杂的分子机器。天然存在的RNA机器的一个例子是核糖体，它在所有细胞中充当蛋白质工厂。

受天然RNA机器的启发，跨学科纳米科学中心(iNANO)的研究人员开发了一种称为“RNA折纸”的方法，该方法可以设计从单个RNA林分折叠的人造RNA纳米结构。该方法的灵感来自折纸艺术折纸，其中一张纸可以折叠成给定的形状，例如纸鸟。

(资料图片仅供参考)

冷冻褶皱提供新的见解

Nature Nanotechnology的研究论文描述了RNA折纸技术如何用于设计RNA纳米结构，这些结构由丹麦国家冷冻电镜设施EMBION的冷冻电子显微镜(cryo-EM)表征。冷冻电镜是一种确定生物分子 3D 结构的方法，其工作原理是快速冷冻样品，使水没有时间形成冰晶，这意味着可以用电子显微镜更清楚地观察冷冻的生物分子。

数千个分子的图像可以在计算机上转换为3D地图，用于构建分子的原子模型。冷冻电镜研究为RNA折纸的详细结构提供了宝贵的见解，从而优化了设计过程并产生了更理想的形状。

“通过冷冻电镜的精确反馈，我们现在有机会微调我们的分子设计并构建日益复杂的纳米结构，”奥胡斯大学iNANO副教授Ebbe Sloth Andersen解释说。

发现缓慢折叠陷阱

RNA圆柱体样品的冷冻电镜图像包含两种非常不同的形状，并且通过在不同时间冷冻样品，很明显两种形状之间正在发生过渡。使用小角X射线散射(SAXS)技术，样品没有冻结，研究人员能够实时观察这种转变，并发现折叠转变发生在大约10小时后。

研究人员发现了一种所谓的“折叠陷阱”，其中RNA在转录过程中被捕获，然后才被释放。

“发现一种RNA分子重新折叠的速度如此之慢，这是一个非常令人惊讶的，因为折叠通常在不到一秒钟的时间内发生，”奥胡斯大学化学和iNANO系教授Jan Skov Pedersen说。

“我们希望能够利用类似的机制在正确的时间和地点激活RNA疗法，”该研究的第一作者Ewan McRae解释说，他现在正在美国德克萨斯州休斯顿卫理公会研究所的“RNA治疗中心”开始自己的研究小组。

从RNA构建纳米卫星

为了证明复杂形状的形成，研究人员将RNA矩形和圆柱体结合起来，创造了一个多域的“纳米卫星”形状，灵感来自哈勃太空望远镜。

“我设计纳米卫星作为RNA设计如何允许我们探索折叠空间(折叠的可能性空间)和细胞内空间的象征，因为纳米卫星可以在细胞中表达，”iNANO助理教授Cody Geary说，他最初开发了RNA-折纸方法。

然而，由于其柔性特性，卫星被证明难以通过冷冻电镜表征，因此样品被送到美国的实验室，在那里他们专门通过电子断层扫描确定单个颗粒的3D结构，即所谓的IPET方法。

“RNA卫星是一个巨大的挑战!但是通过使用我们的IPET方法，我们能够表征单个粒子的3D形状，从而确定纳米卫星上动态太阳能电池板的位置，“美国加利福尼亚州劳伦斯伯克利国家实验室分子铸造厂的Gary Ren说。

RNA医学的未来

对RNA折纸的研究有助于改善用于医学和合成生物学的RNA分子的合理设计。由诺和诺德基金会支持的一个新的跨学科联盟COFOLD将继续研究RNA折叠过程，让计算机科学，化学，分子生物学和微生物学的研究人员参与设计，模拟和测量更高时间分辨率的折叠。

“随着RNA设计问题的部分解决，现在创建可用于基于RNA的药物的功能性RNA纳米结构的道路已经开放，或者作为RNA调节元件来重新编程细胞，”Ebbe Sloth Andersen说。