Science突破：實時追蹤RNA
日期：2012-10-22 08:21:50
第一次，研究人員在單分子水平上實時觀測了轉錄過程中的RNA折疊。他們是如何做到的？他們又從中獲悉了什么？
在一個隔音、溫度恒定、振動控制的地下實驗室，斯坦福大學的研究人員實時觀察了RNA的轉錄，注視著RNA新生單鏈變長——一個核苷酸——并折疊形成一個調控核糖體開關（regulator riboswitch）。這一研究發表在10月19日的《科學》（Science）雜志上。
“到目前為止，沒有人真正在單分子水平上看到過具功能性后果的RNA折疊。這是第一次有人觀察它生成的過程，”論文的作者、斯坦福大學生物物理學家Steven Block說。
為了完成這一壯舉，Block和同事們開發了一種稱作光學鑷子的光學捕獲法，利用兩個玻璃珠以及兩束激光測量了轉錄過程。相比如計算機建模等傳統的非直接研究RNA折疊的方法，完全變性形成的RNA或大量研究核糖體開關的作用，新技術有所改進。
在他們的光學鑷子方法中，一個玻璃珠被附著到一個RNA聚合酶分子上，分子連接著pbuE核糖體開關的DNA模板。pbuE核糖體開關可調控將腺嘌呤移出細胞的枯草桿菌基因的轉錄。另一個玻璃珠被附著到一個與轉錄RNA互補的部分解開的DNA把手上，握住轉錄RNA。
像兩個牽引光束，光子流施加輕微的力到玻璃珠上，將它們固定在位置上，使得研究人員能夠拖拉RNA分子，當它在亞納米長度上延伸和折疊時測量RNA鏈。利用散射激光和計算機傳感器，他們在Block的電腦上精確地觀測到了RNA的延伸。
“因為RNA一次生成一個核苷酸，也許形成了中間產物這一不穩定的結構，它并不存在于最終形式中。這些結構具有重要的功能性結果，”Block說。
在這種情況下，隨著核糖體開關轉錄，它開始折疊成一個適配體（aptamer）。這一適配體是不穩定的，它快速形成了一個終止序列停止基因轉錄。但如果存在大量的腺嘌呤，腺嘌呤結合適配體。這可以暫時穩定適配體，防止終止子形成，使得基因其余部分繼續轉錄，生成一種蛋白最終將腺嘌呤運送出細胞。
在這項工作中，Block和同事們發現這種適配體構象僅維持了數秒，相比終止子序列適配體的穩定性要差100億倍。這一時間只是剛剛夠轉錄pbuE基因，適配體很快重新裝配成一個終止子。沒有實時單分子成像，科學家們永遠不能看到這一適配體或是了解它調控基因的機制。
現在，Block計劃繼續利用這一技術來實時研究不同的腺嘌呤核糖體開關以及其他一些小分子的移動和折疊。“了解RNA如何折疊對于了解分子生物學是絕對至關重要的。RNA有可能是第一個編碼分子：它可以折疊和生成酶，它具有催化活性它能夠控制基因，”Block說。
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