為了保護健康或引起疾病，細胞內(nèi)發(fā)生的大部分事情都是如此之小或時間敏感，以至于研究人員現(xiàn)在只能看到我們每天每分鐘都在發(fā)生的復(fù)雜情況。北卡羅來納大學(xué)醫(yī)學(xué)院的研究人員發(fā)現(xiàn)了一種這樣的復(fù)雜性 - 一種以前隱藏的RNA調(diào)節(jié)模式，對細菌防御有毒氟離子至關(guān)重要。

該研究發(fā)表在“自然 - 化學(xué)生物學(xué)”雜志上，為開發(fā)針對各種生物過程重要的RNA遺傳分子的藥物開辟了一條新的研究途徑，包括如何調(diào)節(jié)基因。

“尋找健康和疾病基礎(chǔ)的大量研究正確地關(guān)注蛋白質(zhì)，但不同形式的RNA具有我們剛剛開始理解的功能，”生物化學(xué)和生物物理學(xué)高級作者兼助理教授張琪博士說。“我們的核磁共振技術(shù)比以往任何時候都更能幫助我們學(xué)習(xí)。”

2014年，Zhang及其同事開發(fā)了一種利用核磁共振(NMR)成像的新方法，以顯示RNA在原子水平上的形狀和運動。這是至關(guān)重要的，因為RNA在任何給定時間通常都是短壽命的并且在細胞中稀少。RNA的數(shù)量在很短的時間內(nèi)發(fā)生變化，這取決于它正在履行的各種角色中的哪一個。然而，到目前為止，結(jié)構(gòu)生物學(xué)家只將RNA可視化為一系列快照。張的技術(shù)可以實現(xiàn)RNA的可視化新方法，直至其原子。

“我們需要這種原子級視圖，因為每次原子相互作用對人類健康都很重要，”張先生說，他也是UNC Lineberger綜合癌癥中心的成員。“科學(xué)家已經(jīng)開發(fā)出類似的方法，對蛋白質(zhì)有效，我們需要RNA，這對于理解RNA如何作為基因表達的控制開關(guān)至關(guān)重要。”

在他們的最新研究中，Zhang及其同事研究了核糖開關(guān) - 一類非編碼RNA，它們不是從DNA轉(zhuǎn)化為蛋白質(zhì)。相反，核糖開關(guān)響應(yīng)特定的細胞信號控制基因表達。許多細菌依賴這些提示和控制來調(diào)節(jié)基本的細胞功能。這些開關(guān)已成為科學(xué)界對RNA結(jié)構(gòu)和配體分子(如藥物化合物)的基本理解的重要模型。核糖開關(guān)已成為新一類非常需要的抗菌藥物的目標(biāo)。

以下是這些核糖開關(guān)如何發(fā)揮作用的主流智慧：當(dāng)細胞產(chǎn)生代謝物或遇到某種程度的毒素時，核糖開關(guān)上的傳感器檢測到這種情況，重塑開關(guān)的三維結(jié)構(gòu)，并發(fā)送信號轉(zhuǎn)變?yōu)樨撠?zé)任的基因電路開或關(guān)。該模型已在各種核糖開關(guān)中顯示。但當(dāng)張的小組試圖了解細菌如何使用這些特定類別的這些基因開關(guān) - 氟化物核糖開關(guān) - 啟動其防止氟化物離子毒性水平的防御機制時，它們就成了一個謎。

他們首先將氟化物核糖開關(guān)的結(jié)構(gòu)與氟化物結(jié)合，然后將其與氟化物結(jié)合的核糖開關(guān)的結(jié)構(gòu)進行比較。令張驚訝的是，兩個核糖開關(guān)都是相同的，直到最錯綜復(fù)雜的相互作用。然而，每個版本綁定和未綁定 - 具有不同的功能。結(jié)合狀態(tài)激活基因轉(zhuǎn)錄并啟動毒性防御系統(tǒng)，而未結(jié)合狀態(tài)使基因保持沉默。

“我們想，'怎么會這樣?'”張說。“核糖開關(guān)怎么可能只有一個結(jié)構(gòu)但執(zhí)行兩個相反的功能?這挑戰(zhàn)了我們對RNA的結(jié)構(gòu) - 功能關(guān)系的基本理解。我們想知道自然是否進化出一些特殊的方式來適應(yīng)毒性反應(yīng)這種獨特的細胞作用。但我們也認為有必要區(qū)分氟化物核糖開關(guān)的配體結(jié)合狀態(tài)和未結(jié)合狀態(tài)。否則，這些過程中的任何一個如何“知道”何時做什么?

這就是核磁共振技術(shù)的用武之地。隨著時間的推移，張能夠?qū)⒑颂情_關(guān)可視化，這讓他的團隊能夠揭示結(jié)合狀態(tài)和未結(jié)合狀態(tài)之間局部運動的隱藏差異。張的團隊發(fā)現(xiàn)，在僅僅3毫秒的過程中，核糖開關(guān)處于興奮狀態(tài)。這是當(dāng)它解開linchpin - 一種在核糖開關(guān)內(nèi)形成的稀有堿基分子 - 來終止基因轉(zhuǎn)錄的時候。當(dāng)結(jié)合氟化物時，這種超快速過程被抑制并且基因轉(zhuǎn)錄再次被激活。

盡管如此，張還是不禁想知道為什么大自然會發(fā)展出如此不同尋常的機制。他想知道這種奇怪的扭曲對于結(jié)合RNA和未結(jié)合RNA的典型結(jié)構(gòu)差異有什么優(yōu)勢?

“事實證明，編碼這個'隱藏'的監(jiān)管層賦予了氟化物核糖開關(guān)一種意想不到的能力，”張說。“這種稍縱即逝的開關(guān)可以有效和高效地執(zhí)行配體依賴性轉(zhuǎn)換，將RNA聚合酶的各種速度復(fù)制到RNA中。這確保了對不同細胞環(huán)境中氟化物毒性的強烈反應(yīng)。這確保了生存。”

這一發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著這一發(fā)現(xiàn)，并且張懷疑這種策略可能被核糖開關(guān)用于各種毒性反應(yīng)和許多其他非編碼RNA用于其調(diào)節(jié)功能。

這項工作不僅可以對抗生素的開發(fā)產(chǎn)生巨大的影響，而且它為基于RNA的生物傳感器和納米器件的工程設(shè)計提供了新的設(shè)計原則，以探測特定的基因表達和關(guān)鍵生物過程，幫助我們了解人類疾病。也可以使用這些RNA納米裝置來干擾治療疾病的病理途徑。

“設(shè)計有效的生物傳感器和調(diào)節(jié)器的一個主要挑戰(zhàn)是確保它們能夠在不同的細胞條件下正常工作，”張說。“這很重要，因為這些合成設(shè)備在不同類型的組織內(nèi)部會遇到非常不同的工作環(huán)境。因此，通過揭示氟化物核糖開關(guān)的”隱藏“分子策略，我們提供了一條前進的新方法，這對我們和該領(lǐng)域來說非常令人興奮。”