RNA催化滚环合成中二聚体中间体的结构解析与功能研究

本研究针对RNA世界假说中RNA自我复制的关键问题，通过冷冻电镜技术系统研究了小环状RNA(scRNA)模板在滚环合成(RCS)过程中形成的二聚体中间体结构。研究人员发现这些中间体可形成多种RNA纳米结构，其中完全杂交的二聚体复合物最为稳定。该研究不仅揭示了二聚体作为复制"存储"形式的潜在作用，还为理解原始RNA遗传系统的复制机制提供了新见解。

　　

生命起源的奥秘一直是科学界探索的核心问题之一。在众多假说中，RNA世界假说(RNA world hypothesis)因其能够解释遗传信息存储与催化功能统一而备受关注。然而，这一假说面临一个关键挑战：如何实现RNA的自我复制？虽然已有研究表明RNA聚合酶核酶(ribozyme)能够催化RNA复制过程，但复制产物的链分离问题始终制约着这一过程的持续性。近期研究发现，滚环合成(rolling circle synthesis, RCS)可能提供解决方案，因为这种复制方式能通过聚合反应释放的能量驱动链置换。然而，当使用小环状RNA(small circular RNA, scRNA)作为模板时，研究人员观察到一个令人困惑的现象：完成一轮复制后会出现强烈抑制。

来自丹麦奥胡斯大学和英国MRC分子生物学实验室的研究团队在《Nucleic Acids Research》发表重要成果。该研究通过冷冻电镜(cryo-EM)技术揭示了scRNA复制过程中形成的二聚体中间体的精细结构，发现这些结构既可能阻碍复制进程，又可能为原始RNA遗传系统提供稳定存储形式。这一发现不仅解决了先前观察到的复制抑制现象，还为理解RNA世界的复制机制提供了新视角。

研究人员主要采用了以下关键技术方法：1)通过体外转录和化学合成制备RNA，包括36nt的小环状RNA(scRNA)及其互补RNA(cmpRNA)；2)利用冷冻电镜单颗粒分析技术解析不同RNA复合物的三维结构；3)通过天然和变性凝胶电泳分析RNA复合物的组装状态；4)采用三核苷酸三磷酸(pppNNN)依赖的RNA聚合酶核酶(TPR)进行引物延伸实验验证二聚体功能；5)分子动力学模拟辅助结构解析。

研究结果部分，文章通过五个小标题系统呈现了重要发现：

"冷冻电镜解析全长RCS产物的结构"部分显示，scRNA与cmpRNA可形成高度稳定的复合物。通过冷冻电镜分析，研究人员意外发现了五种不同的结构类别，包括单体、二聚体和多聚体形式。其中二聚体结构最为稳定，能在变性条件下保持完整。

"完全杂交二聚体的结构"部分详细解析了二聚体的精细构象。该结构由两个scRNA和两个cmpRNA组成，形成两个相互连接的平行RNA螺旋，整体分辨率达5.3?。值得注意的是，结构中存在非理想的交叉间距(22bp和14bp)，导致螺旋发生弯曲变形。这种特殊构象使得一个cmpRNA的5'端与另一个cmpRNA的3'端紧密相邻。

"通过二聚体堆叠形成的扭曲纤维"部分揭示了更高级的多聚体结构。研究发现二聚体单元可通过末端碱基的堆叠相互作用，形成周期性扭曲的纤维状结构。这种相互作用具有一定的序列特异性，主要由二聚体的特殊几何形状驱动。

"部分杂交结构"部分描述了复制中间体的可能构象。低分辨率的冷冻电镜图谱显示，部分杂交的中间体可能只形成约24bp的双链区，与先前分子动力学模拟的预测一致。这些部分杂交的结构被认为是形成完全杂交二聚体的前体。

"二聚体既是RCS的障碍又是其底物"部分验证了二聚体的功能特性。实验证实二聚体中的cmpRNA无法被RNA聚合酶核酶延伸，解释了先前观察到的复制抑制现象。但有趣的是，添加过量scRNA模板可重新激活延伸反应，提示可能存在"双环RCS"的新机制。

研究结论部分指出，这项研究通过结构生物学方法揭示了scRNA复制过程中二聚体中间体的重要作用。这些结构既可作为复制的"刹车"装置，又可能为原始遗传系统提供稳定的RNA存储形式。特别值得注意的是，二聚体形成是scRNA模板的普遍特性，这种特性可能在原始RNA遗传系统中具有进化优势：一方面通过协调两个scRNA模板的复制提高保真度，另一方面通过形成稳定多聚体实现遗传物质的"区室化"分离。该研究为理解RNA世界的复制机制提供了结构基础，也为设计更高效的RNA复制系统提供了新思路。