长链poly(UG) RNA的结构、折叠动力学与动态特性解析及其在基因沉默与疾病中的生物学意义

研究人员针对真核生物转录组中富含的长链poly(UG)重复序列（pUG），通过圆二色谱（CD）、核磁共振（NMR）和分子动力学模拟等技术，揭示了其形成左-handed四链体（G4）的独特结构特征与缓慢的折叠动力学（t1/2≥13分钟）。研究发现≥24重复的pUG可形成紧凑的双pUG折叠结构，其核心稳定性长达数天，且动态交换模型解释了基因沉默效率随长度增加的现象。该研究为理解pUG在癌症相关lncRNA NEAT1和跨代表观遗传中的机制提供了新视角。

　　

在真核生物的基因组中，简单序列重复（SSR）约占3%，其中GT/AC二核苷酸重复最为常见。这些重复序列的变异与多种疾病相关，如囊性纤维化、哮喘和精神分裂症等。有趣的是，GT重复更常被转录，导致真核生物转录组中富含GU重复序列，即poly(UG)或pUG RNA。pUG RNA不仅能形成独特的左-handed四链体结构（pUG fold），还在基因沉默和跨代表观遗传中发挥关键作用。然而，长链pUG RNA的结构特性和折叠动力学仍不清楚，这限制了对其在生物学和疾病中作用的理解。

为解决这一问题，威斯康星大学麦迪逊分校（University of Wisconsin-Madison）的研究团队在《Nucleic Acids Research》上发表了一项系统性研究。他们通过多学科技术手段，揭示了长链pUG RNA的结构特征、折叠动力学和动态行为。研究发现，≥24重复的pUG RNA能形成紧凑的双pUG折叠结构，其折叠过程缓慢（半衰期≥13分钟），而解折叠则更为缓慢（半衰期约5天）。此外，长链pUG RNA表现出双相动态特性，包括部分解折叠的快速相（半衰期约30分钟）和全局解折叠的慢速相。这些发现不仅深化了对pUG RNA结构的认识，还为理解其在基因沉默和疾病中的作用提供了重要线索。

研究采用了多项关键技术：圆二色谱（CD）用于分析pUG fold的构象特征和热稳定性；核磁共振（NMR）氢氘交换（HDX）实验测定四链体开放动力学；RNase T1酶切和天然PAGE验证多pUG折叠的形成；分子动力学（MD）模拟揭示双pUG折叠的稳定构象。

结构与折叠特性
研究发现12-18重复的pUG RNA主要形成单pUG折叠，而≥24重复的pUG RNA则能形成双pUG折叠。CD光谱显示，pUG折叠的摩尔吸光度与RNA长度呈线性关系，表明随着链长增加，单链RNA含量相应增加。通过RNase T1酶切实验，研究人员观察到(GU)₂₉ RNA中存在对应于12和24重复的酶抗性片段，证实了双pUG折叠的存在。

折叠动力学
pUG折叠的速率具有长度依赖性，最短的(GU)₁₂半衰期为17分钟，而(GU)₁₈延长至30分钟。有趣的是，Mg²⁺能加速(GU)₁₂的折叠，但抑制较长pUG的折叠，这可能与GU摆动对形成的A型螺旋竞争有关。

动态特性
HDX NMR显示，pUG折叠的核心极为稳定，G3和G5四链体的半衰期分别为5天和2.5天。然而，长链pUG RNA（≥13重复）表现出双相交换动力学，包括快速相（半衰期约30分钟，振幅50%）和慢速相（半衰期3.8-7天）。研究人员提出"分段寄存器交换"模型，认为这是由侧翼序列侵入引起的局部构象重排所致。

分子动力学模拟
通过3μs的MD模拟，研究人员发现双pUG折叠最初呈并排构象，但在485ns后转变为稳定的堆叠构象。这种构象增加了5'和3'端之间的距离，可能允许形成"串珠式"的多pUG折叠。

这项研究首次证实了长链pUG RNA能形成紧凑的双pUG折叠结构，并揭示了其独特的折叠动力学和动态特性。这些发现具有多重意义：首先，双pUG折叠的形成解释了为什么长pUG尾巴（如C. elegans中>18.5重复）具有更强的基因沉默效率；其次，pUG折叠的缓慢动力学可能与其在跨代表观遗传中的保护功能相关；最后，研究为理解人类疾病相关pUG（如HO-1基因和NEAT1 lncRNA中的重复序列）的作用机制提供了结构基础。该研究不仅拓展了对非经典RNA结构的认识，还为开发靶向pUG折叠的治疗策略奠定了基础。