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黄硕、李文飞、张道强Nat. Commun.:新型纳米孔势阱,实现低分子量RNA结构解析

RNA三级结构的存在是行使丰富生理功能的基础化[1]tRNA、RNA适配体、核酶和核糖体等都是高度结构化的RNA机器。许多重要的代谢过程,包括蛋白质合成和RNA剪接,都是由具有复杂三级结构的RNA分子完成的。此外RNA三级结构在许多病毒系统中具有重要的生物学意义,许多病毒可以使用假结结构形成类似tRNA基序(tRNA-like motif)渗透到宿主细胞。然而目前对RNA结构-功能关系的理解是有限的,主要原因是普遍缺乏高分辨率的结构信息。蛋白质数据库包含12万多个蛋白质晶体结构(http://www.rcsb.org  ),而核酸数据库(http://ndbserver.rutgers.edu  )中包含RNA的晶体结构不足3300个,这主要是因为经典的结构生物学方法如X射线晶体学、核磁共振波谱或低温电子显微镜往往需要暴力的样品前处理,极易破坏RNA天然的三级结构[2]随着RNA家族愈发庞大,各种RNA新的生物学功能令人应接不暇,迫切需要开发一种新型温和的天然RNA三级结构表征方法。


近日,南京大学黄硕、李文飞南京航空航天大学张道强等共同开发了新型纳米孔势阱,实现了水相中天然低分子量RNA结构的动态检测。在传统的生物纳米孔检测方法中,由于狭小的孔径限制,结构化的核酸分子往往需要被迫解折叠成单链结构才能通过纳米孔被检测,这使得该技术无法捕捉到分子的空间信息[3-5]与不断开发大孔径生物纳米孔来匹配大尺寸分析物的主流研究思路不同[6],该研究团队发现作为测序黄金孔道的耻垢分枝杆菌膜蛋白A(MspA)虽然孔径也很小,但具有非常特殊的高脚杯型结构[7]其宽阔的前庭可以捕获复杂的RNA分子汇报其几何形貌信息,而狭窄的识别位点可以迫使RNA的粘性末端解折叠过孔,监测其解折叠动力学信息。通过巧妙地利用MspA纳米孔势阱,该团队实现了miRNA、siRNA、tRNA和5S rRNA的直接检测与区分。该方法具有超高的分辨率,可以检测到同种RNA分子的不同捕获取向,对于结构差异微小的平末端siRNA和粘性末端siRNA也能够清晰区分。

图1. 基于MspA 的纳米孔势阱直接检测低分子量RNA(图片来自论文作者)


为了充分挖掘数据信息,该团队开发了基于11种特征指标的机器学习算法,实现了混合RNA样本中信号的自动识别,展现了大数据时代下单分子技术数据处理的未来发展趋势。最后利用MspA纳米孔势阱,该团队发现了酵母和大肠杆菌中tRNA传感信号的相似性,从单分子层面上首次验证了tRNA的跨物种结构保守性。

图2. 酵母和大肠杆菌tRNA特征信号的保守性(图片来自论文作者)


该工作相关论文于2021年6月7日发表在Nature Communications 上,南京大学化学化工学院黄硕教授、南京大学物理学院李文飞教授和南京航空航天大学张道强教授为该论文共同通讯作者。南京大学王玉琴博士后和南京航空航天大学关晓宇博士为该论文共同第一作者。


原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Structural-profiling of low molecular weight (LMW) RNAs by nanopore trapping/translocation using Mycobacterium smegmatis porin A (MspA)

Yuqin Wang, Xiaoyu Guan, Shanyu Zhang, Yao Liu1, Sha Wang, Pingping Fan, Xiaoyu Du, Shuanghong Yan, Panke Zhang, Hong-Yuan Chen, Wenfei Li, Daoqiang Zhang and Shuo Huang

Nat. Commun., 202112, 3368, DOI: 10.1038/s41467-021-23764-y


参考文献:

1. Mortimer, S.A., Kidwell, M.A. & Doudna, J.A. Insights into RNA structure and function from genome-wide studies. Nat. Rev. Genet.15, 469-479 (2014).

2. Zhang, K. et al. Cryo-EM structure of a 40 kDa SAM-IV riboswitch RNA at 3.7 angstrom resolution. Nat. Commun., 10, 5511 (2019).

3. Smith, A.M., Abu-Shumays, R., Akeson, M. & Bernick, D.L. Capture, Unfolding, and Detection of Individual tRNA Molecules Using a Nanopore Device. Front. Bioeng. Biotechnol., 3, 91 (2015).

4. Zhang, X.Y. et al. Mimicking Ribosomal Unfolding of RNA Pseudoknot in a Protein Channel. J. Am. Chem. Soc., 137, 15742-15752 (2015).

5. Zhang, X. et al. Nanopore electric snapshots of an RNA tertiary folding pathway. Nat. Commun., 8, 1458 (2017).

6. Soskine, M., Biesemans, A. & Maglia, G. Single-Molecule Analyte Recognition with ClyA Nanopores Equipped with Internal Protein Adaptors. J. Am. Chem. Soc.137, 5793-5797 (2015).

7. Faller, M., Niederweis, M. & Schulz, G.E. The structure of a mycobacterial outer-membrane channel. Science303, 1189-1192 (2004).


导师介绍

黄硕

https://www.x-mol.com/university/faculty/56491 

课题组链接

http://hysz.nju.edu.cn/bionano 

张道强

https://www.x-mol.com/university/faculty/188526 

http://faculty.nuaa.edu.cn/zdq1/zh_CN/index/74151/list/index.htm 

李文飞

https://www.x-mol.com/university/faculty/63301 

https://biophy.nju.edu.cn/ch/liwenfei/index.html 


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