一种新技术可以帮助研究人员研究微小的生物过程

为了保护健康或引起疾病，细胞内发生的大部分事情都是如此之小或时间敏感，以至于研究人员现在只能看到我们每天每分钟都在发生的复杂情况。北卡罗来纳大学医学院的研究人员发现了一种这样的复杂性 - 一种以前隐藏的RNA调节模式，对细菌防御有毒氟离子至关重要。

该研究发表在“自然 - 化学生物学”杂志上，为开发针对各种生物过程重要的RNA遗传分子的药物开辟了一条新的研究途径，包括如何调节基因。

“寻找健康和疾病基础的大量研究正确地关注蛋白质，但不同形式的RNA具有我们刚刚开始理解的功能，”生物化学和生物物理学高级作者兼助理教授张琪博士说。“我们的核磁共振技术比以往任何时候都更能帮助我们学习。”

2014年，Zhang及其同事开发了一种利用核磁共振(NMR)成像的新方法，以显示RNA在原子水平上的形状和运动。这是至关重要的，因为RNA在任何给定时间通常都是短寿命的并且在细胞中稀少。RNA的数量在很短的时间内发生变化，这取决于它正在履行的各种角色中的哪一个。然而，到目前为止，结构生物学家只将RNA可视化为一系列快照。张的技术可以实现RNA的可视化新方法，直至其原子。

“我们需要这种原子级视图，因为每次原子相互作用对人类健康都很重要，”张先生说，他也是UNC Lineberger综合癌症中心的成员。“科学家已经开发出类似的方法，对蛋白质有效，我们需要RNA，这对于理解RNA如何作为基因表达的控制开关至关重要。”

在他们的最新研究中，Zhang及其同事研究了核糖开关 - 一类非编码RNA，它们不是从DNA转化为蛋白质。相反，核糖开关响应特定的细胞信号控制基因表达。许多细菌依赖这些提示和控制来调节基本的细胞功能。这些开关已成为科学界对RNA结构和配体分子(如药物化合物)的基本理解的重要模型。核糖开关已成为新一类非常需要的抗菌药物的目标。

以下是这些核糖开关如何发挥作用的主流智慧：当细胞产生代谢物或遇到某种程度的毒素时，核糖开关上的传感器检测到这种情况，重塑开关的三维结构，并发送信号转变为负责任的基因电路开或关。该模型已在各种核糖开关中显示。但当张的小组试图了解细菌如何使用这些特定类别的这些基因开关 - 氟化物核糖开关 - 启动其防止氟化物离子毒性水平的防御机制时，它们就成了一个谜。

他们首先将氟化物核糖开关的结构与氟化物结合，然后将其与氟化物结合的核糖开关的结构进行比较。令张惊讶的是，两个核糖开关都是相同的，直到最错综复杂的相互作用。然而，每个版本绑定和未绑定 - 具有不同的功能。结合状态激活基因转录并启动毒性防御系统，而未结合状态使基因保持沉默。

“我们想，'怎么会这样?'”张说。“核糖开关怎么可能只有一个结构但执行两个相反的功能?这挑战了我们对RNA的结构 - 功能关系的基本理解。我们想知道自然是否进化出一些特殊的方式来适应毒性反应这种独特的细胞作用。但我们也认为有必要区分氟化物核糖开关的配体结合状态和未结合状态。否则，这些过程中的任何一个如何“知道”何时做什么?

这就是核磁共振技术的用武之地。随着时间的推移，张能够将核糖开关可视化，这让他的团队能够揭示结合状态和未结合状态之间局部运动的隐藏差异。张的团队发现，在仅仅3毫秒的过程中，核糖开关处于兴奋状态。这是当它解开linchpin - 一种在核糖开关内形成的稀有碱基分子 - 来终止基因转录的时候。当结合氟化物时，这种超快速过程被抑制并且基因转录再次被激活。

尽管如此，张还是不禁想知道为什么大自然会发展出如此不同寻常的机制。他想知道这种奇怪的扭曲对于结合RNA和未结合RNA的典型结构差异有什么优势?

“事实证明，编码这个'隐藏'的监管层赋予了氟化物核糖开关一种意想不到的能力，”张说。“这种稍纵即逝的开关可以有效和高效地执行配体依赖性转换，将RNA聚合酶的各种速度复制到RNA中。这确保了对不同细胞环境中氟化物毒性的强烈反应。这确保了生存。”

这一发现标志着这一发现，并且张怀疑这种策略可能被核糖开关用于各种毒性反应和许多其他非编码RNA用于其调节功能。

这项工作不仅可以对抗生素的开发产生巨大的影响，而且它为基于RNA的生物传感器和纳米器件的工程设计提供了新的设计原则，以探测特定的基因表达和关键生物过程，帮助我们了解人类疾病。也可以使用这些RNA纳米装置来干扰治疗疾病的病理途径。

“设计有效的生物传感器和调节器的一个主要挑战是确保它们能够在不同的细胞条件下正常工作，”张说。“这很重要，因为这些合成设备在不同类型的组织内部会遇到非常不同的工作环境。因此，通过揭示氟化物核糖开关的”隐藏“分子策略，我们提供了一条前进的新方法，这对我们和该领域来说非常令人兴奋。”