清華大學(xué)生命學(xué)院方顯楊課題組與化學(xué)系李景虹課題組合作揭示黃病毒屬抗核酸外切酶RNA(xrRNAs)機械穩(wěn)定性各向異性的分子機制
2020年10月30日，清華大學(xué)生命學(xué)院方顯楊課題組與化學(xué)系李景虹課題組合作，在《自然通訊》 (Nature communications)在線發(fā)表了題為“黃病毒屬抗核酸外切酶RNA (xrRNAs) 機械穩(wěn)定性各向異性的分子機制”(Molecular mechanisms underlying the mechanical anisotropy of flaviviral exoribonuclease-resistant RNAs (xrRNAs)) 的研究論文。
RNA具有多種重要的生理功能。在生命體內(nèi)，RNA功能的發(fā)揮與其折疊形成的復(fù)雜三維空間結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性密切相關(guān)。在許多生理過程中，包括蛋白質(zhì)的翻譯、RNA的復(fù)制和逆轉(zhuǎn)錄等過程中，核糖體、RNA聚合酶或逆轉(zhuǎn)錄酶等分子機器方向性的向RNA施加機械力，導(dǎo)致RNA的解折疊或重折疊。例如，在蛋白質(zhì)翻譯過程中，核糖體會從5’到3’方向?qū)δ０錷RNA施加力，使RNA發(fā)生解折疊進而保證翻譯的正常進行。RNA對不同方向施加的機械力往往存在響應(yīng)上的差異，即機械穩(wěn)定性各向異性(mechanical anisotropy)現(xiàn)象，這一現(xiàn)象在蛋白質(zhì)和DNA中也普遍存在。RNA的機械穩(wěn)定性各向異性對于發(fā)揮其生理功能以及發(fā)展具有可調(diào)控機械性能的RNA生物材料具有重要意義，然而，目前人們對RNA如何對機械力做出響應(yīng)以及RNA機械穩(wěn)定性各向異性的分子機制知之甚少。
近年來，人們對一類來源于黃病毒的抗核酸外切酶RNA(xrRNAs)產(chǎn)生了濃厚興趣。xrRNAs位于黃病毒基因組RNA的3’非翻譯區(qū)，其形成的獨特的環(huán)狀結(jié)構(gòu)(圖1a-b)賦予了其抵抗宿主5’→3’核糖核酸外切酶Xrn1降解的功能，進而導(dǎo)致在被黃病毒感染的宿主細胞中，存在大量的基因組RNA不完全降解而形成的亞基因組RNA (sfRNA) 的積累，后者在病毒的致病性和免疫逃逸上發(fā)揮重要作用。與此同時，在黃病毒的復(fù)制過程中，RNA依賴的RNA聚合酶(RdRP)需要從3’→5’方向解開xrRNAs結(jié)構(gòu)作為合成負鏈RNA的模板以保證病毒的正常復(fù)制。由此人們推測xrRNAs存在機械穩(wěn)定性各向異性(圖1c)，但缺乏實驗證據(jù)的支持且其中的分子機制尚不清楚。
在該項研究中，方顯楊課題組與李景虹課題組合作，應(yīng)用單分子α-溶血素(α-HL)納米孔技術(shù)、小角X射線散射技術(shù)，結(jié)合分子動力學(xué)計算模擬和酶學(xué)降解方法，研究了來源于寨卡病毒的xrRNA1的機械穩(wěn)定性各向異性現(xiàn)象及其分子機制。α -HL七聚體蛋白鑲嵌在磷脂雙分子層上形成的納米孔通道最窄處只有~1.4nm，只允許單鏈核酸通過，具有復(fù)雜高級結(jié)構(gòu)的RNA需要先解折疊成單鏈才能過孔。通過在RNA的5’或3’端加上單鏈的引導(dǎo)鏈，研究在電壓驅(qū)動下RNA通過納米孔時的電流變化特征，可以研究RNA沿5’或3’方向的單向解折疊過程(圖1d)。相比于光鑷、磁鑷以及原子力顯微鏡等多種單分子力譜技術(shù)，單分子納米孔技術(shù)在研究生物大分子的機械穩(wěn)定性各向異性上具有獨到優(yōu)勢，前者這些技術(shù)是在RNA兩端同時施加機械力進行解折疊，因而不能很好的模擬體內(nèi)RNA的方向性受力解折疊過程。研究證實寨卡病毒xrRNA1確實存在顯著的機械穩(wěn)定性各向異性，并且發(fā)現(xiàn)機械穩(wěn)定性各向異性高度依賴于能穩(wěn)定xrRNA1環(huán)狀結(jié)構(gòu)的鎂離子濃度以及關(guān)鍵三級相互作用(圖1e-f)。該研究表明xrRNA環(huán)狀結(jié)構(gòu)可作為潛在的結(jié)構(gòu)元件，構(gòu)建具有可調(diào)控機械穩(wěn)定性各向異性的RNA生物材料。
圖 1：黃病毒抗核酸外切酶RNA(xrRNAs)的機械穩(wěn)定性各向異性及其分子機制。
清華大學(xué)生命學(xué)院方顯楊研究員與化學(xué)系李景虹教授為該論文的共同通訊作者。清華大學(xué)生命學(xué)院2016級直博生牛曉林、化學(xué)系2014級直博生劉秋翰和生命學(xué)院2017級普博生徐鐘河為該論文共同第一作者。生命學(xué)院合作交流研究生陳志鳳、2018級直博生許凌輝和2017級直博生徐禮磊參與了該研究的部分工作。該研究受到國家自然科學(xué)基金委、北京結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心、清華-北大生命科學(xué)聯(lián)合中心的經(jīng)費支持。
原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-020-19260-4
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