RNA 鸟嘌呤含量和 G - 四链体结构对生物分子凝聚物相行为及材料特性的调控

为探究 G4 RNA 对凝聚物的影响，研究人员以 FMRP 为模型，发现 G 含量影响凝聚物性质，意义重大。

　　在细胞的微观世界里，生物分子凝聚物扮演着重要角色，它们如同一个个微型工厂，有条不紊地进行着各种生命活动。RNA 结合蛋白（RBPs）广泛存在于这些凝聚物中，参与诸如 mRNA 运输、翻译调控等关键过程。其中，富含精氨酸 - 甘氨酸的 RGG 基序，是驱动相分离的关键因素，还能与 RNA G - 四链体（G₄）结构特异性结合，这种结合在神经元中尤为重要。

尽管 RNA 序列和结构对蛋白凝聚物的形态与功能影响已逐渐被认知，但 G₄ RNA 及其与 RGG 结构域的相互作用，仍存在诸多未解之谜。为了深入探索这一神秘领域，美国纽约城市大学先进科学研究中心结构生物学倡议团队的 Alfredo Vidal Ceballos、Anna Geissmann 等研究人员，以脆性 X 智力低下蛋白（FMRP）为模型展开研究。FMRP 与脆性 X 综合征密切相关，在神经元颗粒中含量丰富，对 mRNA 运输和翻译控制起着关键作用。该研究成果发表在《Scientific Reports》上，为理解 RNA 与蛋白凝聚物的相互作用机制提供了重要依据。

研究人员采用了多种关键技术方法。在蛋白纯化方面，对野生型和甲基化的 FMRP 低复杂度区域（LCR）进行了纯化；运用荧光光谱技术，检测 Thioflavin T（ThT）与不同 RNA 结合后的荧光强度，以确定 RNA 的 G₄结构；利用溶液态核磁共振光谱（NMR），进一步验证 RNA 的二级结构；通过荧光漂白恢复技术（FRAP），测量凝聚物内部 FMRP-LCR 的动力学；借助微流变学技术，研究凝聚物的网络特性和粘度变化；运用荧光相关光谱实验，测定 FMRP-LCR/Met-FMRP-LCR 与不同 RNA 的结合亲和力。

研究结果如下：

• RNA 序列特征：研究人员选取了 4 种 RNA 序列，包括 Sc1、Sc1 突变体（Sc1-M）、微管相关蛋白 1B（Map1B）和 Poly-Uridine 36（pU36）。通过 ThT 荧光检测和¹H NMR 光谱分析，证实了 Sc1 和 Map1B 能形成 G₄结构，Sc1-M 虽预测不能形成稳定 G₄结构，但在低温下可检测到非规范二级结构，pU36 则无 G₄结构。
• 高 G 含量对聚合物相行为的影响：实验发现，高 G 含量的核酸与简单的带正电聚合物（如聚精氨酸）结合时会形成不溶性聚集体，而 FMRP-LCR 与所有测试 RNA 都能相分离形成球形凝聚物。这表明 G₄结构和 G 含量对相行为的影响，强烈依赖于相互作用伙伴的序列复杂性。同时，在 FMRP 凝聚物中，G₄结构依然存在，且 Map1B 与 FMRP 形成的凝聚物中，ThT 荧光强度增加更为显著，可能是由于 Map1B 的 G₄结构更稳定。
• G 含量对凝聚物内部动力学和粘度的影响：FRAP 实验表明，随着 RNA G₄含量增加，FMRP 凝聚物内部的扩散略有下降，恢复时间 τ_1/2延长。微流变学测量结果显示，凝聚物的均方位移（MSD）与滞后时间呈线性关系，表明其为粘性流体，且粘度随 G₄含量增加而增大。这说明增加 G 含量，而非稳定的 G₄结构，会降低凝聚物的动力学并增加其粘度。
• FMRP 甲基化对凝聚物性质的影响：研究发现，FMRP 甲基化会降低其与 RNA 的结合亲和力，但对凝聚物的材料特性（如粘度和动力学）没有显著影响。这表明在决定凝聚物的材料特性方面，RNA 序列和 / 或结构比结合亲和力发挥着更重要的作用。

研究结论和讨论部分指出，该研究深入揭示了 RNA G₄结构对凝聚物相行为和材料特性的影响机制。一方面，研究发现 G 含量可能是导致凝聚物粘度和动力学变化的原因，而非单纯的 G₄结构，这为理解 FMRP 与 RNA 的相互作用提供了新视角。另一方面，尽管 G₄结构在某些系统中会促进聚集，但在 FMRP 凝聚物中，系统仍保持高度动态和流体特性，暗示 FMRP 可能在维持神经元颗粒的流体性质中发挥重要作用，防止聚集的发生。此外，研究还表明改变 FMRP 与 RNA 的结合亲和力，并不一定会影响凝聚物的材料特性。

总的来说，这项研究成果意义重大，它为 RNA 在调节凝聚物的形式和功能方面的作用提供了新的见解，尤其有助于理解神经元中颗粒的动力学，为进一步研究与 G₄结构相关的神经发育疾病，如脆性 X 综合征，奠定了坚实的理论基础。