[格罗克]
一项使用单粒子冷冻电子断层扫描 (IPET) 的革命性研究揭示了 RNA 在单分子水平上的折叠动力学,并可能为更好的 RNA 疫苗和分子传感器铺平道路
RNA 是生物分子的杂技演员,根据其环境扭曲和折叠成多种形状。虽然这种结构灵活性对其生物学功能至关重要,但它也使 RNA 难以研究。传统的成像方法,如冷冻电子显微镜 (cryo-EM) 单颗粒平均 (SPA) 分析,依赖于组合来自数千个形状相似的分子的数据。这种平均方法模糊了单个 RNA 分子的独特性,使研究人员的图片不完整。
图左侧显示了单颗粒冷冻电子断层扫描 (IPET) 的过程,其中 RNA 样品被冷冻在网格上,然后通过以不同角度倾斜样品进行成像。然后使用图像重建颗粒的 3D 形状。图右侧显示了单个 RNA 分子的 3D 形状。[Liu, J., McRae, E.K.S., Zhang, M. et al. 非平均单分子三级结构通过单个颗粒冷冻电子断层扫描揭示 RNA 自折叠。国家通讯 15, 9084 (2024)。https://doi.org/10.1038/s41467-024-52914-1] 但发表在 《自然通讯 》上的一项开创性研究改变了游戏规则。来自劳伦斯伯克利国家实验室 Molecular Foundry 和奥胡斯大学跨学科纳米科学中心的科学家们为 RNA 研究引入了一个新的维度:无需平均即可研究单个分子的 3D 结构的能力。他们选择的工具是什么?单颗粒冷冻电子断层扫描 (IPET) 是一种先进的成像技术,可一次跟踪一个颗粒的冷冻保存分子的 3D 形状。 从不可能到有洞察力:IPET 的力量 直到最近,可视化单分子 3D 结构似乎还只是一个白日梦。单个粒子产生的微弱信号使这种方法无效。“自 1970 年代以来,它一直被认为是一种死胡同,”分子铸造厂的科学家、与奥胡斯大学的 Ebbe Andersen 共同领导这项研究的 Gang 任 回忆道。然而,技术进步为这种方法注入了新的活力,将其转变为分子探索的强大工具。
在这项研究中,研究人员将 IPET 应用于 RNA 折纸——旨在折叠成精确纳米级结构的工程 RNA 分子。虽然之前使用冷冻电镜 SPA 的研究提供了 RNA 折纸 3D 结构的静态快照,但他们未能解开其折叠动力学。然而,IPET 照亮了整个折叠之旅。通过捕获折叠各个阶段的 RNA 分子(从未成熟构型到最佳形式),研究人员基本上创造了一部 RNA 动态转化的“电影”。 捕获 RNA 的动态折叠 这部分子电影揭示了关键的见解。例如,该团队观察到一个折叠陷阱,即 RNA 在过渡到更紧凑和功能形状之前暂时卡住的点。这些观察结果不仅加深了我们对 RNA 折叠过程的理解,而且在实际应用中也带来了巨大的希望。
“IPET 技术为我们提供了更动态的分子世界视图,”Andersen 解释说。“我们希望这一见解将使我们能够设计更有效的 RNA 疫苗和分子医学动态传感器的折叠。”
可以在下面观看说明这种折叠过程的视频。该动画演示了 IPET 如何放大单个分子,揭示其复杂的 3D 结构并捕捉 RNA 折叠景观的流动性。 幕后花絮:IPET 和冷冻电镜 SPA 单粒子冷冻电子断层扫描 (IPET) 是一种革命性的技术,用于以中低分辨率对单个大分子粒子进行 3D 成像。与冷冻电镜 SPA 不同,它不依赖于数千个分子的平均图像。相反,它结合了冷冻电子断层扫描、高级重建算法、缺失楔形校正、对比度增强和石墨烯网格等创新,以可视化自然状态下的单个分子。 冷冻电镜 SPA 一直是生物分子高分辨率成像的黄金标准。它将分子冻结在玻璃状冰态,通过平均数千个相似粒子来捕获详细的 3D 重建。然而,这种方法在研究 RNA 等不断改变形状的动态分子时是不够的。 展望未来:RNA 研究的新时代 捕获 RNA 不断变化的形式的能力可能会彻底改变从疫苗开发到分子医学的领域。通过剥开 RNA 动态折叠过程的层层,IPET 为单分子成像设定了新标准,证明曾经被认为不可能的事情现在触手可及。
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