活细胞中RNA二级结构动态图谱揭示保守调控开关的进化与功能

研究人员通过开发RNA二级结构动态图谱技术(DRACO)和5'UTR-MaP方法，结合进化保守性分析框架DeConStruct，系统解析了大肠杆菌和人类细胞中RNA结构动态变化，发现了新型RNA温度传感器和翻译调控开关，为理解RNA结构动态调控机制提供了新视角。该研究发表在《Nature Biotechnology》。

RNA分子作为生命活动的核心调控者，其功能实现高度依赖于动态变化的二级结构。然而，活细胞内RNA结构动态变化的全面解析一直面临重大挑战。传统研究方法多聚焦于单一构象，难以捕捉RNA分子在生理条件下的真实结构状态。荷兰格罗宁根大学(University of Groningen)分子遗传学系的研究团队在《Nature Biotechnology》发表的研究，通过创新技术手段系统绘制了活细胞中RNA二级结构动态图谱，揭示了RNA构象动态变化在基因表达调控中的重要作用。

研究团队采用DMS-MaPseq(二甲基硫酸盐突变分析测序)技术，结合自主开发的DRACO算法，实现了对RNA结构动态变化的全局性解析。针对真核细胞5'UTR的特殊性，开发了5'UTR-MaP方法，通过特异性富集5'端片段解决了测序覆盖难题。研究还建立了DeConStruct分析框架，整合进化保守性分析，实现了功能性RNA结构开关的高效鉴定。

研究首先在大肠杆菌中发现了16.6%的转录组区域存在结构异质性，这些区域在冷休克条件下增至32.6%。通过系统分析，鉴定出多个新型RNA温度传感器，包括cspG、cspI、cpxP和lpxP的5'UTR。其中lpxP温度传感器表现出独特的分子伴侣(CspE)依赖性调控机制，其构象转换需要CspE蛋白的协助。研究还发现，与直觉相反，低温条件下RNA结构异质性显著增加，提示细胞通过复杂机制应对温度变化。

在人类HEK293细胞中，研究团队开发的5'UTR-MaP技术成功捕获了5'UTR结构动态。ATP耗竭实验显示，RNA解旋酶活性对维持5'UTR结构稳态具有重要作用。通过分析结构异质性区域，发现了CKS2和TXNL4A mRNA 5'UTR中调控上游开放阅读框(uORF)使用的结构开关。这些发现为理解真核生物翻译调控提供了新视角。

研究的关键技术突破包括：1) DRACO算法改进，通过优化图分割策略提高了构象解析精度；2) 5'UTR-MaP技术实现了真核5'UTR的特异性分析；3) DeConStruct框架整合了进化保守性分析，显著提高了功能性RNA元件的鉴定效率。这些技术创新为RNA结构研究提供了强大工具。

研究结果部分，通过"转录组尺度的大肠杆菌RNA结构动态图谱揭示结构异质性RNA的普遍特征"分析发现，结构异质性区域(2+ regions)具有显著特征：更高的结构有序性(P=7.4×10^-15)、更低的单链倾向性(P=9.8×10^-44)和更强的进化保守性(P=1.1×10^-50)。在"冷休克诱导RNA结构动态重分布"部分，研究发现冷休克不仅激活已知的cspA温度传感器，还发现了cspG、cpxP和lpxP等新型温度感应元件。其中lpxP的温度调控表现出独特的分子伴侣依赖性，需要CspE蛋白协助其构象转换。

在"真核细胞5'UTR结构动态的转录组尺度解析"部分，5'UTR-MaP技术成功捕获了人类细胞中7%的5'UTR存在结构异质性。ATP耗竭使这一比例增至17.3%，表明ATP依赖的解旋酶活性在维持5'UTR结构动态平衡中的关键作用。研究特别解析了CKS2和TXNL4A mRNA 5'UTR中调控uORF使用的结构开关，通过构建双荧光报告系统验证了这些结构开关对翻译调控的影响。

该研究的创新价值体现在多个层面：方法学上，DRACO算法和5'UTR-MaP技术突破了活细胞RNA结构动态研究的瓶颈；理论上，揭示了RNA结构动态调控的进化保守性和多样性；应用上，发现的RNA温度传感器和翻译调控开关为合成生物学和疾病治疗提供了新靶点。研究建立的DeConStruct框架将成为发现功能性RNA元件的标准流程，而关于分子伴侣协助RNA结构转换的发现，则拓展了对RNA-蛋白质协同进化机制的认识。

这项研究为理解RNA结构动态调控网络奠定了重要基础，其技术方法和分析框架将推动RNA结构生物学研究进入新阶段。未来研究可进一步探索RNA结构动态与细胞信号通路的交互作用，以及其在疾病发生发展中的潜在作用，为RNA靶向药物开发提供理论依据。