解码ROOL RNA纳米笼：结构解析与模块化生物医学应用新前沿

本研究亮点推荐：针对细菌长链非编码RNA（lncRNAs）结构复杂、功能不清的难题，Ling等人通过近原子分辨率冷冻电镜技术解析了ROOL RNA纳米笼的组装机制，揭示其通过链交换及三级相互作用形成直径28 nm的八聚体空心结构，并证实其作为模块化载体可高效负载功能性RNA（如Mango-III适配体、miRNA），为低免疫原性核酸递送和动态生物传感器开发提供了天然RNA平台。

　　

在生命科学领域，长链非编码RNA（long noncoding RNAs, lncRNAs）作为调控基因表达的关键分子，日益成为研究热点。然而，相较于真核生物lncRNAs的广泛研究，细菌及其噬菌体来源的lncRNAs（已知超过20类）因其结构复杂、尺寸庞大，高分辨率结构解析一直面临挑战。这类RNA在微生物生理过程中的功能机制大多仍是未解之谜，限制了其在生物技术中的应用。传统RNA纳米载体（如脂质纳米颗粒LNPs）存在免疫原性高、易引发“加速血液清除”等问题，而病毒载体又有插入突变风险。因此，开发兼具结构稳定性、低免疫原性及模块化负载能力的天然RNA纳米结构，成为纳米生物医学领域的迫切需求。

近期发表于《Molecular Biomedicine》的研究亮点文章，聚焦于Ling团队在《Nature》上发表的突破性工作，首次揭示了源于瘤胃微生物的ROOL（rumen-originating, ornate, large）RNA家族形成的天然纳米笼结构。该研究通过原子级分辨率的结构生物学手段，阐明了其组装原理与功能潜力，为RNA纳米技术提供了新一代工具。

为解析ROOL RNA纳米笼的精细结构，研究团队采用冷冻电镜（cryo-EM）技术，以近原子分辨率（八聚体约2.9 ?，单体约3.2 ?）解析了两种细菌来源的ROOL RNA——粪肠球菌（Enterococcus faecalis）的ROOL_Efa和厚壁菌门（Firmicutes bacterium CAG:227）的ROOL_Firm的结构。通过质谱光散射（mass photometry）和突变验证，明确了其组装过程中的中间态及关键功能区域。研究还利用体外重构实验，将功能性RNA单元（如适配体、tRNA前体、microRNA）融合至纳米笼载体，评估其负载能力与稳定性。

ROOL RNA单体的三级结构特征

每个ROOL RNA单体由16个螺旋区域（H1-H16）构成，通过复杂的三级相互作用（如吻环结构kissing loops、碱基堆积和新发现的“A-minor staples”——一种三链A-minor相互作用）稳定其略微弯曲的构象。这些相互作用尤其对H4、H9和H10等结构元件的维系至关重要。

八聚体纳米笼的组装与结构参数

单体在240 mM K⁺和20 mM Mg²⁺条件下自发组装成对称八聚体纳米笼，直径28 nm，轴向长度20 nm。其内部为空腔结构，含有柔性区域，提示其可用于生物大分子封装。

链交换机制驱动纳米笼组装

研究发现，寡聚化过程中螺旋区域H8-H10和H12发生空间位移（分别约23 ?和41 ?），通过分子间碱基配对实现相邻单体连接。针对H12的突变实验证实，破坏此区域的灵活性会显著抑制八聚体形成，凸显了链交换机制在组装中的核心作用。

模块化载体潜力与生物应用验证

ROOL RNA的3′末端可融合多种功能单元（如Mango-III适配体、抑制性tRNA前体、初级microRNA），而不影响纳米笼形成。负载分子呈径向分布，且内部无序环区的删除不破坏结构完整性，证明其作为递送载体的鲁棒性。相较于合成RNA纳米结构，ROOL作为天然lncRNA无需人工序列设计即可高效折叠，且其空腔尺寸可容纳tRNA、mRNA等生物大分子，功能负载能力显著提升。

生物传感器开发的新路径

纳米笼的空腔可负载荧光染料或量子点，通过靶分子诱导的渗透性变化实现信号输出；其表面修饰适配体后可构建荧光或电化学传感器，利用构象变化触发信号转换。此外，链交换机制本身可作为分子开关，调节笼体组装状态以实现信号放大。

ROOL RNA纳米笼的研究不仅突破了细菌lncRNA高分辨率结构解析的瓶颈，更展示了其作为多功能平台的巨大潜力。其天然来源赋予的低免疫原性、大尺寸空腔及模块化设计特性，为核酸药物递送、靶向治疗和精准诊断提供了新策略。尽管其在体内清除机制、免疫反应及复杂环境下的稳定性仍需深入评估，但这项研究为天然RNA工程在生物技术和临床转化中的应用奠定了坚实基础，有望推动肿瘤学、病毒学等领域的创新突破。