《PNAS》：分子拥挤对生物分子有很大影响

　　

This is an artist's conception of an RNA molecule (large purplish ladder) in the process of folding as it is crowded by a common polymer, polyethylene glycol (turquoise strands).

生物通报道：众所周知，大尺度上的拥挤具有很多负面影响，会导致从人类疾病和抑郁症到社区资源短缺等各种各样的问题。但是，细胞水平上的分子拥挤所造成的影响还知之甚少。最近一项新研究表明，一个拥挤的环境，对单个生物分子会产生戏剧性的效果。相关研究结果发表在最近的《PNAS》杂志。

分子拥挤（molecular crowding）对基本生化过程的影响，因为高溶质浓度，而很少为我们了解，但是很显然，其对RNA和蛋白质折叠成正确的天然结构至关重要。这项研究首次对拥挤的单个生物分子的根本动力学进行研究。在研究中，美国科罗拉多大学JILA（天体物理联合实验室）的研究人员发现，分子拥挤可导致RNA的折叠速率增加35倍，而去折叠速率则保持相对稳定。

RNA是一种长链状的分子，含有遗传信息，制造蛋白质和催化生物学反应。它必须折叠成正确的三维形状，才能正常运行。这项新的研究结果表明，虽然RNA通常花费大部分的时间进行去折叠，但在拥挤的情况下它折叠的更频繁，即使它在每个循环当中仍然保持平常的折叠时间。

JILA/NIST会员David Nesbitt称：“细胞，有25%到35%充满了蛋白质、核酸和脂类等等，分子拥挤环境对简单反应（如核酸和蛋白质的折叠）所产生的影响，还不是很清楚。几乎所有详细的动力学数据都来自于体外研究中，即不在活细胞中。”

Nesbitt的研究小组利用特殊的显微镜，随时间在含有不同浓度的PEG（聚乙二醇，一种大的普通聚合物）的溶液中，研究RNA折叠。PEG分子的大小会限制RNA周围的三维空间，模仿拥挤细胞中的内容物，因此这种溶液要优于试管研究中通常用的稀溶液。

以前我们知道，PEG能促进生物分子的压紧折叠状态，JILA结果首次确定了这个基本过程。效果并不明显，因为拥挤似乎有可能会抑制RNA的去折叠作用。相反，JILA研究人员认为，相反的过程在起作用：拥挤降低了RNA实现折叠过渡态所需的能量，使它更容易折叠。

这项研究还分析了温度相关的数据，表明RNA折叠速率常数增加，主要是由于混合物的失调，而不是简单的倾向于RNA利用最低能力来稳定形状。

除了收集实验数据，JILA研究人员还用一个简单的粒子模型，来评估在极其拥挤的环境中细胞会发生什么。结果表明，RNA折叠平衡常数可能会增加4000倍以上，导致一个显著不同的生化成分，而折叠率可能提高1000倍以上。JILA研究人员推测，这种极端的影响可能深刻地影响细胞中复杂生化途径的比率和首选方向。这个模型是否可以扩展到其他细胞内容物和其他RNA结构，还需要进一步的研究来确定。

（生物通：王英）

生物通推荐原文摘要：
Molecular-crowding effects on single-molecule RNA folding/unfolding thermodynamics and kinetics
Abstract: The effects of “molecular crowding” on elementary biochemical processes due to high solute concentrations are poorly understood and yet clearly essential to the folding of nucleic acids and proteins into correct, native structures. The present work presents, to our knowledge, first results on the single-molecule kinetics of solute molecular crowding, specifically focusing on GAAA tetraloop–receptor folding to isolate a single RNA tertiary interaction using time-correlated single-photon counting and confocal single-molecule FRET microscopy. The impact of crowding by high–molecular-weight polyethylene glycol on the RNA folding thermodynamics is dramatic, with up to ΔΔG° ∼ −2.5 kcal/mol changes in free energy and thus >60-fold increase in the folding equilibrium constant (Keq) for excluded volume fractions of 15%. Most importantly, time-correlated single-molecule methods permit crowding effects on the kinetics of RNA folding/unfolding to be explored for the first time (to our knowledge), which reveal that this large jump in Keq is dominated by a 35-fold increase in tetraloop–receptor folding rate, with only a modest decrease in the corresponding unfolding rate. This is further explored with temperature-dependent single-molecule RNA folding measurements, which identify that crowding effects are dominated by entropic rather than enthalpic contributions to the overall free energy change. Finally, a simple “hard-sphere” treatment of the solute excluded volume is invoked to model the observed kinetic trends, and which predict ΔΔG° ∼ −5 kcal/mol free-energy stabilization at excluded volume fractions of 30%.