病毒衣壳蛋白对RNA分子的选择性包装机制及其在合成生物学中的应用

这篇研究通过噬菌体MS2模型系统，揭示了病毒衣壳蛋白（Coat Protein）在细胞环境中选择性包装自身RNA的分子机制。研究团队创新性地采用细胞内包装实验（in-cellulo packaging）、干涉散射显微镜（iSCAT）和高通量测序（RNAseq）技术，证实选择性包装由多个茎环结构（stem-loops）的集体相互作用驱动，而非传统认为的单一TR环（Translational Repressor）主导。该发现为设计合成衣壳（synthetic capsids）以精准装载CRISPR基因编辑系统、mRNA疫苗等RNA疗法提供了理论框架。

　　

病毒RNA选择性包装的机制突破

MS2衣壳蛋白单独实现高选择性RNA包装

研究以噬菌体MS2为模型，通过构建修饰版基因组质粒pMS2′（含3,569 nt MS2序列但仅表达衣壳蛋白），发现其形成的28 nm衣壳能选择性包装自身RNA，效率高达97.4%。冷冻电镜（cryo-EM）显示这些衣壳与天然MS2结构高度相似（RMSD 0.045 ?），且单粒子质谱（iSCAT）测得质量为3.5 MDa，含约3.3 knt RNA。对比实验表明，仅含随机化衣壳基因的pcoat′质粒包装效率骤降至3%，凸显序列特异性。

RNA长度与结构的博弈

系统测试不同长度（394-3,570 nt）的RNA发现，包装效率随长度增加而提升（6%→31%），但远低于pMS2′的97%。通过设计五种序列改组类型（SI-SV），研究者发现：

• 茎环结构主导：保留14个预测包装信号茎环的SI/SIII效率显著高于其改组版本SII/SIV（如SIII达69% vs SIV仅31%）。

• 物理尺寸非关键：最大阶梯距离（MLD）分析显示，紧凑型RNA（如SI）效率反而高于松散型，但完全随机序列（SV）即使长度相同仍效率低下。

• TR环非必需：删除TR环（SI-1）或连同侧翼TR±1环（SI-3）均未显著降低效率，而删除全部14个茎环（SII）则使效率腰斩至41%，证明选择性是集体效应。

天然MS2的完美包装之谜

天然MS2包装效率达99.6%，仅含0.2%宿主RNA，优于pMS2′系统（2.2%宿主RNA）。这种差异可能源于病毒复制酶（replicase）扩增基因组RNA、成熟酶（maturase）压缩RNA结构或裂解蛋白（lysis protein）调控包装时长等天然机制。

合成生物学应用前景

该研究颠覆了传统“单一高亲和力茎环驱动包装”的认知，提出多茎环分布式协同的新模型。这一框架为设计合成衣壳装载特定RNA（如CRISPR组件或mRNA疫苗）提供了关键规则：需在RNA中合理分布多个结合位点，而非依赖单一强相互作用。

方法论创新

实验体系结合了：

1. 竞争性包装：质粒RNA与宿主转录组直接竞争；

2. 多模态检测：通过电镜（TEM）验证衣壳形态，iSCAT定量RNA质量，RNAseq解析组成；

3. 动态结构预测：基于ViennaRNA包的MLD计算揭示RNA全局构象。

这项研究不仅解决了MS2长达50年的包装信号争议，更为工程化病毒样颗粒（VLP）用于基因治疗开辟了新路径。