如何观察RNA的多价组装？纳米级分子神器，低温电子显微镜

RNA是生命体中必不可少的分子，它不仅能传递遗传信息，还能像蛋白质一样折叠成复杂的三维结构，参与多种生物学功能。然而，与蛋白质相比，我们对RNA如何形成更高级的聚体结构知之甚少。近期，一项发表于SCI杂志的研究通过低温电子显微镜（cryo-EM）首次系统观察了四种RNA如何组装更高阶结构。

低温电子显微镜

四十年前，研究人员竞相尝试用液氦冷却至接近绝对零度的电子显微镜对蛋白质进行成像，他们希望这种极低的温度能够减少显微镜电子束产生的辐射损伤，从而获得更清晰的视野。液氦冷却电子显微镜的核心是一块薄铜板，上面布满了直径仅为 400 纳米的孔，通常用含有蛋白质副本的溶液填充每个孔，然后冷冻这块铜板，将蛋白质锁定在原位，观察高清图像。

然而，事与愿违，较低的温度会导致蛋白质周围的冰弯曲，从而扭曲图像更加模糊。

几十年来，人们的传统观念认为，较低的温度会导致蛋白质周围的冰收缩，从而使蛋白质内部的原子挤压得更紧密。为了验证这一观点是否属实，为了减少屈曲，研究团队利用新的金属平台新平台，用金代替了铜，这样可以更好地将每个孔边缘的带电电子传导离样品，从而减少将物体推开的排斥电荷的积累，还将平台上的孔缩小到 100 纳米，这减少了每个孔中的冰体积，进一步限制了不必要的移动并提高了显微镜的焦距。

通过上述步骤之后，再添加蛋白质溶液，以观察这些变化是否提高了显微镜的分辨率。研究在 77 K 和 13 K 下拍摄的两种蛋白质图像显示分辨率提高了约 1.5 倍。这不仅能提供更清晰的低温电子显微镜成像的蛋白质和其他分子细节，还能让显微镜学家甚至能够对目前成像尺寸大约一半的蛋白质进行成像。

RNA，从单链到多聚体的过程

我们通常认为RNA是单链分子，但事实上，它可以通过碱基配对，如经典的A-U、G-C配对，和更复杂的三级相互作用形成稳定的高级结构。在蛋白质世界，超过50%的蛋白质会通过同源寡聚化，多个相同亚基组装来增强功能，例如病毒衣壳蛋白等。然而，RNA的寡聚化研究却远远落后，此前仅有少数二聚体，如φ29噬菌体RNA被解析。

这项研究选择了四个RNA家族：ARRPOF、OLE、ROOL和GOLLD。这些RNA均来自细菌，并且在基因组中高度保守，可能具有重要的生物学功能。研究人员利用低温电子显微镜，成功解析了它们的结构。

四种RNA呈现四种不同的组装方式。ARRPOF作为与细菌质粒复制相关的RNA，长度为255个核苷酸，它能够形成稳定的二聚体，并且有两种不同的形态切换；OLE RNA帮助细胞抵抗低温、酒精或高镁离子浓度等极端条件，它通过A-堆积和kissing-loop相互作用形成二聚体；ROOL RNA通常存在于噬菌体或细菌染色体中，并且常与tRNA基因相邻，不同细菌的ROOL可以形成六聚体或八聚体。GOLLD RNA是这项研究中最复杂的RNA，能形成十二聚体或十四聚体。

RNA的长度与其多聚体的复杂度直接相关。526 nt的ROOL可以结合为六聚体，580nt的ROOL可以结合为八聚体，700 nt的GOLLD可以结合为十二聚体，833 nt的GOLLD可以结合为十四聚体。

图：低温电子显微镜结构揭示了 ARRPOF 二聚体的替代构象和分子间界面

（A和B）构象 1（A）和构象 2（B）在 5.0σ 阈值下的整体低温电子显微镜密度图和模型，其中 3′ 结构域 P5-P8 交换到另一侧。（C）构象 1 和 2 的卡通投影二级结构，具有指定的三级相互作用。（D到G）两种构象中的 P9（D）、P10（E）以及构象 1 中由来自两个原体 (F) 的 P13 堆叠的剪切 AA 碱基对和构象 2 中的连接环相互作用 P13（G）的低温电子显微镜密度图和分子间界面模型，所有都在 2.0σ 阈值下。

❓思考题： 以下哪种RNA可能参与细菌的极端环境适应？

A.ARRPOF
B.OLE
C.ROOL
D.GOLLD

这项研究通过低温电子显微镜，首次系统揭示了RNA如何通过多种相互作用形成复杂的多聚体结构，它不仅扩展了我们对RNA生物学的理解，为海洋研究也提供新思路。

参考文献：Cryo-EM reveals mechanisms of natural RNA multivalency.  Science，13 Mar 2025，Vol 388, Issue 6746 pp. 545-550，DOI: 10.1126/science.adv3451