新型納米孔勢阱實現水相中天然低分子量RNA結構動態檢測

　　RNA三級結構的存在是行使豐富生理功能的基礎[1]。tRNA、RNA適配體、核酶和核糖體等都是高度結構化的RNA機器。許多重要的代謝過程，包括蛋白質合成和RNA剪接，都是由具有復雜三級結構的RNA分子完成的。此外RNA三級結構在許多病毒系統中具有重要的生物學意義，許多病毒可以使用假結結構形成類似tRNA基序（tRNA-like motif）滲透到宿主細胞。然而目前對RNA結構-功能關系的理解是有限的，主要原因是普遍缺乏高分辨率的結構信息。蛋白質數據庫包含12萬多個蛋白質晶體結構（http://www.rcsb.org），而核酸數據庫（http://ndbserver.rutgers.edu）中包含RNA的晶體結構不足3300個，這主要是因為經典的結構生物學方法如X射線晶體學、核磁共振波譜或低溫電子顯微鏡往往需要暴力的樣品前處理，極易破壞RNA天然的三級結構。隨著RNA家族愈發龐大，各種RNA新的生物學功能令人應接不暇，迫切需要開發一種新型溫和的天然RNA三級結構表征方法。

　　近日，南京大學黃碩、李文飛與南京航空航天大學張道強等共同開發了新型納米孔勢阱，實現了水相中天然低分子量RNA結構的動態檢測。在傳統的生物納米孔檢測方法中，由于狹小的孔徑限制，結構化的核酸分子往往需要被迫解折疊成單鏈結構才能通過納米孔被檢測，這使得該技術無法捕捉到分子的空間信息。與不斷開發大孔徑生物納米孔來匹配大尺寸分析物的主流研究思路不同，該研究團隊發現作為測序黃金孔道的恥垢分枝桿菌膜蛋白A（MspA）雖然孔徑也很小，但具有非常特殊的高腳杯型結構[7]。其寬闊的前庭可以捕獲復雜的RNA分子匯報其幾何形貌信息，而狹窄的識別位點可以迫使RNA的粘性末端解折疊過孔，監測其解折疊動力學信息。通過巧妙地利用MspA納米孔勢阱，該團隊實現了miRNA、siRNA、tRNA和5S rRNA的直接檢測與區分。該方法具有超高的分辨率，可以檢測到同種RNA分子的不同捕獲取向，對于結構差異微小的平末端siRNA和粘性末端siRNA也能夠清晰區分。

　　圖1. 基于MspA 的納米孔勢阱直接檢測低分子量RNA（圖片來自論文作者）

　　為了充分挖掘數據信息，該團隊開發了基于11種特征指標的機器學習算法，實現了混合RNA樣本中信號的自動識別，展現了大數據時代下單分子技術數據處理的未來發展趨勢。最后利用MspA納米孔勢阱，該團隊發現了酵母和大腸桿菌中tRNA傳感信號的相似性，從單分子層面上首次驗證了tRNA的跨物種結構保守性。

　　圖2. 酵母和大腸桿菌tRNA特征信號的保守性（圖片來自論文作者）

　　該工作相關論文于2021年6月7日發表在Nature Communications 上，南京大學化學化工學院黃碩教授、南京大學物理學院李文飛教授和南京航空航天大學張道強教授為該論文共同通訊作者。南京大學王玉琴博士后和南京航空航天大學關曉宇博士為該論文共同第一作者。