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为解决核酶催化机制不明、结构与功能关系不清的问题，研究人员开展针对迷你锤头状核酶催化新冠病毒（SARS-CoV-2）RNA 的研究。结果发现其存在五种机械构象，镁离子可选择活性构象。这有助于核酶生物技术应用及对抗 RNA 病毒。
在神秘的微观生物世界里，核酶（ribozyme）就像一个个隐藏着巨大能量的小精灵，它们广泛存在于原核生物和真核生物中，能够精准地靶向核酸，在基因调控、免疫治疗等多个重要领域发挥着关键作用。其中，锤头状核酶（hammerhead ribozyme）是最小且研究得较为深入的一种核酶。然而，就像被迷雾笼罩一样，科学界对于核酶的结构和生化数据一直存在争议，这使得其催化机制成为了一个长期悬而未决的难题，尤其是构象动力学在核酶催化过程中扮演的角色，始终扑朔迷离。
在新冠疫情席卷全球的背景下，寻找有效的抗病毒策略迫在眉睫。由于核酶具有独特的靶向 RNA 的能力，人们期望利用它来对抗像新冠病毒（SARS-CoV-2）这样的 RNA 病毒。但核酶结构与功能关系的不明确，极大地阻碍了其在抗病毒治疗中的应用。例如，在设计针对 SARS-CoV-2 的核酶时，常常出现预测效果与实际实验结果不符的情况，精心设计的锤头状核酶基序在生化切割实验中无法达到预期功能，而实际有效的核酶构象又与理论预测大相径庭。为了拨开这重重迷雾，来自南开大学等研究机构的科研人员踏上了探索之旅。
研究人员针对 SARS-CoV-2 的基因组序列，设计了一种迷你锤头状核酶，运用单分子磁镊技术（single-molecule magnetic tweezers）和分子动力学模拟（molecular dynamics simulations）等手段，深入研究其催化机制。单分子磁镊技术就像是一个微观世界的 “精密操控器”，能够让研究人员在单分子水平上观察核酶的一举一动；而分子动力学模拟则如同一个虚拟的微观实验室，从原子层面揭示核酶的动态变化。
研究结果令人眼前一亮。首先，在单分子水平上对锤头状核酶进行机械解折叠实验时发现，该核酶存在多种构象。通过分析解折叠过程中延伸长度和力的变化，确定了核酶存在五种机械构象子集，分别命名为 α、β1、β2、γ1 和 γ2 。其中，α 子集的特点是螺旋 II 结构域折叠，它是核酶构象集合的基本结构，对启动酶的折叠过程起着重要作用。而 β2 子集则是具有催化活性的构象，其独特之处在于它不依赖镁离子和底物 RNA 就能形成正确折叠的活性构象。
镁离子在核酶的构象选择中起着至关重要的作用。研究发现，镁离子能够与核酶的核心结构域相互作用，选择性地稳定 β2 构象子集，促使构象平衡向更稳定的催化活性状态移动。这就像是镁离子为核酶找到了一把开启高效催化大门的钥匙。当研究人员改变核酶的序列设计了一种微小核酶进行实验时，同样观察到镁离子会影响核酶的折叠和机械性质，进一步证明了镁离子在稳定机械更强构象方面的关键作用。
在研究核酶的催化功能时，研究人员发现没有底物 RNA 时，核酶的 γ 构象会因螺旋 I 和 III 的三级相互作用而自我抑制。但神奇的是，当引入 SARS-CoV-2 的基因组 RNA 后，核酶就像被激活了一样，自我抑制状态被打破，释放出螺旋 I 和 III 结构域来识别底物 RNA，且结合效率高达 100% 。进一步研究发现，β2 构象才是负责核酶催化活性的关键，而非 β1 构象。通过镁离子耗竭实验也证实了核酶的机械稳定性主要取决于其核心结构域，不同构象集合之间的平衡可以通过镁离子的添加或去除来调节。此外，研究人员还设计了一种失活的迷你核酶，发现其核心结构域的脱氧核苷酸会破坏 γ 构象，影响与镁离子的相互作用，这进一步验证了之前关于 γ 构象基于核心结构域三级相互作用的结论。
这项研究成果发表在《Communications Biology》上，具有重大的意义。它揭示了锤头状核酶催化过程中存在的协同构象选择机制，为理解 RNA 催化机制提供了新的视角。这不仅有助于推动核酶在生物技术领域的应用，比如开发更高效的基因调控工具，还为以核酶为基础的抗 RNA 病毒疗法提供了理论依据，有望为未来的抗病毒药物研发开辟新的道路。
研究人员在开展研究时，用到了以下几个主要关键技术方法：
- 单分子磁镊技术：通过构建 DNA - RNA - DNA（DRD）结构，将迷你锤头状核酶夹在两个 DNA 手柄之间，利用磁镊施加力来机械折叠和解折叠核酶，实时监测力 - 延伸曲线，获取核酶在单分子水平的构象信息。
- 原子力显微镜成像（AFM imaging）：用于观察 DRD 构建体中核酶的暴露和可及性，确保实验体系的有效性。
- 分子动力学模拟（MD simulation）：采用 CHARMM36m 力场和 GROMACS 软件包，在明确的离子条件下进行模拟，从原子层面分析核酶的构象动态变化，辅助解释实验现象。
综上所述，该研究通过对迷你锤头状核酶的深入探究，成功揭示了其催化机制中构象选择的奥秘。研究结论表明，核酶催化是一个复杂而有序的过程，构象选择在其中发挥着核心作用。在讨论部分，研究人员进一步强调了这些发现对于理解 RNA 催化的普遍意义，以及为未来基于核酶的疾病控制和预防策略提供了重要的理论基础。这一研究成果为生命科学和医学领域在对抗 RNA 病毒方面带来了新的希望，激励着更多科研人员深入探索核酶的潜在应用价值。
