结构生物化学/核酸/RNA/RNA折叠

RNA如何展开和重新折叠

一般来说，RNA从三级结构展开到二级结构，再到单链RNA，反之亦然。RNA展开取决于温度来变性RNA，或者有时使用酶，例如RNA依赖性RNA聚合酶（RdRps）或解旋酶。此外，科学家使用称为光镊的技术，也称为激光镊，以及荧光共振能量转移，也称为FRET，来研究二级和三级RNA结构是如何展开和重新折叠的。此外，科学家使用阳离子结合来研究核酶是如何折叠和展开的。

二级结构RNA

展开:
二级RNA结构可以通过提高温度或使用化学试剂变性RNA来展开。另一种用于研究RNA如何展开的技术是光镊。这种技术施加一个力，导致RNA在生理温度和缓冲溶液中展开（79）。例如，发夹RNA的两端有两个珠子——一个带有光阱，另一个带有微吸管带。由此，当微吸管移动时，RNA可以被拉伸和解压缩。

重新折叠:
RNA重新折叠发生在RNA展开的反向过程中。当微吸管移动时，RNA可以被推回，这使得RNA松弛并重新折叠。然而，如果光镊施加的松弛力增加，这会导致RNA错误折叠（81）。

RNA中的错误折叠可以通过增加力来纠正。当力增加时，RNA将试图重新折叠成一个活跃的功能形式。

三级结构RNA

展开
三级RNA结构相对较弱，因此，通过改变温度或与生理状态不太不同的溶液可以破坏RNA相互作用。

重新折叠
一种称为FRET的技术，即荧光共振能量转移，可以用来了解RNA是如何折叠的（78）。科学家在RNA链上标记两个染色的核苷酸，通过观察RNA折叠，FRET信号使科学家能够测量这两个染色的标记核苷酸之间的距离和基序随时间的变化。此外，科学家还可以使用FRET来了解当RNA与Mg2+或核糖体蛋白结合时，RNA构象的变化。

RNA酶的单分子

为了研究RNA酶的单分子，科学家使用核酶和FRET技术。核酶展开和折叠的研究与二级或三级RNA结构研究的区别在于，科学家添加了一系列Mg2+，并观察了FRET信号，以判断核酶是已对接（折叠）还是未对接（展开）。通过这种Mg2+“脉冲追踪实验”，科学家可以找到发夹核酶的酶促状态的“动力学指纹”（84）。基于此，科学家能够弄清楚核酶参与了化学反应，例如氧化或还原、核苷酸的合成和肽的形成。因此，核酶的研究加强了RNA世界假说，该假说指出RNA先于DNA（85）。

配体和蛋白质与RNA结合的影响

RNA展开的另一种方式是通过配体和/或蛋白质的出现或缺乏。特定的蛋白质和/或配体与RNA结合并导致其解压缩。通过使用一种称为单分子荧光的技术，科学家研究了核糖核蛋白（RNP）及其对RNA的影响（88）。在这种技术中，科学家可以通过“电子冷冻显微镜和晶体学”来计算噬菌体中的RNP亚基（89）。然后，当RNA发夹展开时，RNP被组装，蛋白质与RNA结合，导致RNA改变构象。

单分子荧光技术有三种常用的应用。第一个只是计算核糖核蛋白（RNP）中的亚基。第二种常见技术是退火两个发夹，需要展开两者。目前，特定蛋白质的作用尚不清楚。第三种技术是利用RNP组装是顺序性的这一事实。由于RNP组装是顺序性的，这表明蛋白质结合早期发生的事件会导致RNA的构象变化。通过在端粒RNA的不同位置标记一对荧光团，科学家已经确定p65蛋白的结合可以诱导构象变化。

在DNA中，精氨酸是用于结合和稳定分子的组分。然而，在RNA中，是精氨酰胺，而不是精氨酸，稳定并结合了TAR发夹。

用于展开RNA的酶

科学家了解到，RNA需要能量输入才能展开自身，但是，RNA折叠不需要能量，因为这是一个自发反应。根据“RNA如何展开和重新折叠”中的作者，为了展开RNA中的三到四个碱基对，使用了一个ATP（89）。因此，解旋酶或RNA依赖性RNA聚合酶通过使用核苷三磷酸水解反应时存在的化学能来帮助RNA展开。例如，解旋酶从ATP水解反应中获取能量来提取与RNA结合的蛋白质并展开双链RNA（90）。因此，随着ATP浓度的升高，该步骤将更快。虽然RNA依赖性RNA聚合酶尚未完全探索，但科学家相信并预期其与解旋酶的工作方式相似。

RNA展开的另一种方式是将单链RNA与单链特异性蛋白质结合。然而，在这种情况下，结合必须很强，以克服碱基对键合中看到的力。

在病毒RNA复制中，RNA必须是单链的，以便其序列在复制和翻译过程中被解释。RNA分子首先被RNA依赖性RNA聚合酶或核糖体展开。通过水解核苷三磷酸，酶可以利用该能量来展开RNA底物。RNA需要具有不同的序列。

参考文献：李，潘T.X.，蒂诺科 Jr，伊格纳西奥，维雷格，杰弗里。“RNA如何展开和重新折叠。” 生物化学年度综述。2008. 77-100。打印。

三级结构折叠

三级折叠指的是远端结构域之间的相互作用，这些相互作用形成 RNA 执行催化和调节功能所需的结构。这些相互作用相当弱，可以通过温度和溶液的微小变化轻松展开。具体而言，FRET 技术被用于观察 RNA 的三级折叠。该技术通过测量两个荧光染色的核苷酸之间的距离来实现。这使得能够实时观察特定的三级结构，包括相互作用的 RNA 链的独特折叠。FRET 技术对于研究 RNA 折叠至关重要，它通过测量结合盐（Mg2+）或核糖体蛋白时构象的变化来实现。一个被广泛研究的重要结构是四环-受体相互作用，该结构存在于许多大型折叠的 RNA 中，并被用于构建合成 RNA “构建块”。

使用光镊并增加作用力，可以将 RNA 展开成四种不同的构象，顺序如下：亲吻复合物、两个连接的发夹结构、一个发夹结构和单链结构。同样，当作用力减小时，单链结构可以以相反的顺序重新折叠成亲吻复合物。亲吻相互作用被定义为两个发夹环之间的碱基配对（互补序列），而发夹环是在单个 RNA 中两个互补序列相遇并结合时形成的。

盐对三级结构的影响

在三级结构中，折叠和稳定性高度依赖于离子条件，特别是 Mg²⁺ 的浓度。因此，金属离子对 RNA 的三级结构的影响大于对二级结构的影响。Mg²⁺ 降低了破坏三级相互作用的动力学速率，但对折叠速率的影响很小。

常见体现盐效应的结构域包括内含子核酶、假结和环-环相互作用：在 **内含子核酶** 中，在 MgCl₂ 中观察到明显的断裂，表明结构域的展开。在没有 Mg²⁺ 的情况下，没有观察到断裂。

在 **假结** 中，形成紧密的结构，并且与结合的 Mg²⁺ 一起稳定性增加。

在 **环-环相互作用** 中，使用作用力操控来观察分子内亲吻复合物的变化。这可以通过二级结构的展开和重新折叠来观察。碱基对序列影响亲吻相互作用的盐依赖性。^[5]

参考文献

引文：Li, Pan T.X., Jeffrey Vieregg, and Ignacio Tinoco. "How RNA Unfolds and Refolds." Annual Review of Biochemistry 77.1 (2008): 77-100. Print.