Science突破:实时追踪RNA

【字体: 时间:2012年10月22日 来源:生物通

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  在一个隔音、温度恒定、振动控制的地下实验室,斯坦福大学的研究人员实时观察了RNA的转录,注视着RNA新生单链变长——一个核苷酸一个核苷酸——并折叠形成一个调控核糖体开关(regulator riboswitch)。这一研究发表在10月19日的《科学》(Science)杂志上。

  

生物通报道  第一次,研究人员在单分子水平上实时观测了转录过程中的RNA折叠。他们是如何做到的?他们又从中获悉了什么?

在一个隔音、温度恒定、振动控制的地下实验室,斯坦福大学的研究人员实时观察了RNA的转录,注视着RNA新生单链变长——一个核苷酸一个核苷酸——并折叠形成一个调控核糖体开关(regulator riboswitch)。这一研究发表在10月19日的《科学》(Science)杂志上。

“到目前为止,没有人真正在单分子水平上看到过具功能性后果的RNA折叠。这是第一次有人观察它生成的过程,”论文的作者、斯坦福大学生物物理学家Steven Block说。

为了完成这一壮举,Block和同事们开发了一种称作光学镊子的光学捕获法,利用两个玻璃珠以及两束激光测量了转录过程。相比如计算机建模等传统的非直接研究RNA折叠的方法,完全变性形成的RNA或大量研究核糖体开关的作用,新技术有所改进。

在他们的光学镊子方法中,一个玻璃珠被附着到一个RNA聚合酶分子上,分子连接着pbuE核糖体开关的DNA模板。pbuE核糖体开关可调控将腺嘌呤移出细胞的枯草杆菌基因的转录。另一个玻璃珠被附着到一个与转录RNA互补的部分解开的DNA把手上,握住转录RNA。

像两个牵引光束,光子流施加轻微的力到玻璃珠上,将它们固定在位置上,使得研究人员能够拖拉RNA分子,当它在亚纳米长度上延伸和折叠时测量RNA链。利用散射激光和计算机传感器,他们在Block的电脑上精确地观测到了RNA的延伸。

“因为RNA一次生成一个核苷酸,也许形成了中间产物这一不稳定的结构,它并不存在于最终形式中。这些结构具有重要的功能性结果,”Block说。

在这种情况下,随着核糖体开关转录,它开始折叠成一个适配体(aptamer)。这一适配体是不稳定的,它快速形成了一个终止序列停止基因转录。但如果存在大量的腺嘌呤,腺嘌呤结合适配体。这可以暂时稳定适配体,防止终止子形成,使得基因其余部分继续转录,生成一种蛋白最终将腺嘌呤运送出细胞。

在这项工作中,Block和同事们发现这种适配体构象仅维持了数秒,相比终止子序列适配体的稳定性要差100亿倍。这一时间只是刚刚够转录pbuE基因,适配体很快重新装配成一个终止子。没有实时单分子成像,科学家们永远不能看到这一适配体或是了解它调控基因的机制。

现在,Block计划继续利用这一技术来实时研究不同的腺嘌呤核糖体开关以及其他一些小分子的移动和折叠。“了解RNA如何折叠对于了解分子生物学是绝对至关重要的。RNA有可能是第一个编码分子:它可以折叠和生成酶,它具有催化活性它能够控制基因,”Block说。

(生物通:何嫱)

生物通推荐原文摘要:

Direct Observation of Cotranscriptional Folding in an Adenine Riboswitch

Growing RNA chains fold cotranscriptionally as they are synthesized by RNA polymerase. Riboswitches, which regulate gene expression by adopting alternative RNA folds, are sensitive to cotranscriptional events. We developed an optical-trapping assay to follow the cotranscriptional folding of a nascent RNA and used it to monitor individual transcripts of the pbuE adenine riboswitch, visualizing distinct folding transitions. We report a particular folding signature for the riboswitch aptamer whose presence directs the gene-regulatory transcription outcome, and we measured the termination frequency as a function of adenine level and tension applied to the RNA. Our results demonstrate that the outcome is kinetically controlled. These experiments furnish a means to observe conformational switching in real time and enable the precise mapping of events during cotranscriptional folding.

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