王申林課題組在RNA的固體核磁共振研究領(lǐng)域取得新進展
RNA是生物體必需的生物大分子，參與生命活動的諸多過程，RNA的結(jié)構(gòu)與其功能密切相關(guān)。然而，RNA分子結(jié)構(gòu)柔性大、帶負(fù)電荷多，單晶生長較困難，因此制約著X-ray 晶體衍射方法解析RNA結(jié)構(gòu)的進展。目前絕大多數(shù)RNA的結(jié)構(gòu)仍然未知。因此探索新的RNA結(jié)構(gòu)解析方法有重要的研究意義。
近年來，國際上涌現(xiàn)出一系列針對RNA結(jié)構(gòu)研究的固體核磁共振新技術(shù)，可以在相對容易生長的微晶或納米級別晶體條件下研究RNA的結(jié)構(gòu)和動態(tài)性質(zhì)。然而，已有的基于13C或15N檢測的RNA固體核磁共振研究技術(shù)，受到靈敏度低、長程結(jié)構(gòu)約束信息難以獲得等因素的限制。
近日，北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院、北京核磁共振中心王申林研究員課題組首次建立了基于1H檢測的、微晶RNA結(jié)構(gòu)分析的固體核磁共振方法。在該工作中，作者結(jié)合了PAR（Proton assisted recoupling）傳遞機制和快速魔角旋轉(zhuǎn)條件下的1H直接檢測技術(shù)，建立了2D hCN(PAR)NH固體核磁共振實驗，并成功實現(xiàn)了檢測微晶RNA中Watson-Crick堿基互補配對形成的NH…N氫鍵這一目標(biāo)。此方法相對已有的應(yīng)用于RNA的固體核磁共振方法相比，其靈敏度和分辨率均顯著提高，并且在檢測堿基之間的氫鍵作用更加高效。結(jié)合同位素稀釋技術(shù)，2D hCN(PAR)NH固體核磁共振實驗被應(yīng)用于區(qū)分二聚體RNA的kissing-loop和extended duplex結(jié)構(gòu)。
課題以HIV病毒中的二聚體引發(fā)位點為模型進行研究。HIV為逆轉(zhuǎn)錄病毒，其遺傳物質(zhì)是RNA。HIV病毒RNA的5'端通常存在一段高度自互補序列，該序列是逆轉(zhuǎn)錄病毒的二聚體引發(fā)位點（Dimerization initiation site）。在逆轉(zhuǎn)錄病毒的復(fù)制過程中，該區(qū)域首先二聚，形成kissing-loop RNA結(jié)構(gòu)，再在酶催化的條件下形成extended duplex 結(jié)構(gòu)。二聚化是HIV病毒復(fù)制、逆轉(zhuǎn)錄、衣殼化等生命活動的基礎(chǔ)，對于維持逆轉(zhuǎn)錄病毒的活力具有重要意義，同時也是潛在的抗病毒藥物設(shè)計靶點。對病毒RNA二聚體的結(jié)構(gòu)進行研究，尤其是區(qū)分kissing-loop和extended duplex這兩種RNA二聚體構(gòu)象，將有助于準(zhǔn)確判斷逆轉(zhuǎn)錄病毒所處的生命周期，為合理的藥物設(shè)計提供重要的理論依據(jù)。通過研究發(fā)現(xiàn)，在此課題的實驗條件下，HIV毒病二聚引發(fā)位點在微晶中形成kissing-loop結(jié)構(gòu)。
此工作是我國首例運用固體核磁共振進行RNA研究的成功案例，研究中采用的基于PAR機制的RNA結(jié)構(gòu)分析方法為國際首創(chuàng)。此工作也是繼德國Ramadurai Ramachandran課題組、德國Teresa Carlomagno課題組、美國Gary P. Drobny課題組之后，RNA固體核磁研究領(lǐng)域的又一重要突破，為深入研究其他未知結(jié)構(gòu)的RNA提供了新的思路和新的技術(shù)方法。北京大學(xué)化學(xué)與分子學(xué)院分析化學(xué)專業(yè)博士生楊玉飛是該工作的第一作者，王申林研究員為通訊作者。
相關(guān)成果以“Proton-detected Solid-state NMR Detects the Inter-nucleotide Correlations and Architecture of Dimeric RNA in Microcrystals”為題，在化學(xué)通訊在線發(fā)表（Chemical Communications, DOI: 10.1039/C7CC07483B）
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http://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2017/cc/c7cc07483b
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