果蝇生殖颗粒中mRNA折叠调控的分子间碱基配对机制及其发育调控意义

本研究揭示了果蝇生殖颗粒中mRNA通过折叠结构调控分子间碱基配对的新机制。研究人员通过DMS-MaPseq、单分子成像和计算机模拟发现，生殖颗粒mRNA的3'UTR区域保持折叠状态，其分子间相互作用依赖于低互补性序列的瞬时配对，而非传统的高GC含量互补序列。该研究阐明了RNA结构在维持基因功能与颗粒动态平衡中的双重作用，为理解RNP颗粒的组织原则提供了新视角。

　　

在生命科学领域，RNA颗粒作为无膜细胞器的重要组成部分，其形成机制与功能调控一直是研究热点。果蝇生殖颗粒富含mRNA和蛋白质，对胚胎发育和生殖细胞命运决定具有关键作用。然而，这些mRNA如何在密集的颗粒环境中保持功能完整性，同时实现特异性聚集，仍是未解之谜。传统观点认为RNA聚类依赖于高GC含量的互补序列（CSs）介导的稳定配对，但《Nature Communications》最新研究颠覆了这一认知，揭示了mRNA折叠结构对分子间相互作用的调控机制。

研究团队采用多学科交叉方法，包括：1）体外RNA聚类实验结合分裂型荧光报告系统检测分子间配对；2）DMS-MaPseq（二甲基硫酸盐突变谱测序）技术解析体内外RNA结构差异；3）基于SIS（单相互作用位点）模型的计算机模拟预测相互作用模式；4）CRISPR/Cas9基因编辑构建3'UTR修饰的果蝇品系进行功能验证。实验样本来源于果蝇胚胎分离的生殖颗粒及卵巢组织。

主要研究结果

RNA聚类无需高互补性序列

通过分裂型broccoli荧光系统发现，shu-top/shu-bottom RNA在体外聚类时，分子间配对不依赖连续6nt以上的互补序列。DFHBI-1T荧光分析显示，无论共折叠还是单独折叠处理，RNA簇内外荧光强度无显著差异（p>0.05），表明聚类不诱导额外稳定配对结构形成。

生殖颗粒内外mRNA折叠状态保守

DMS-MaPseq揭示nos、pgc、gcl等mRNA的3'UTR在颗粒内外具有高度相似的DMS反应谱（相关系数r=0.82-0.98）。仅少数位点可及性变化超过2.5倍（p<5.68×10^-5），且GC-rich CSs均被包裹在RNA二级结构中，如nos的"CUCGAG"序列部分嵌入茎环结构。

计算机模拟预测低概率瞬时配对

SIS模型显示nos 3'UTR同源二聚体中，99%碱基配对为分子内作用。分子间配对由分散的低互补性区域（<6nt）驱动，单个碱基配对概率仅约0.1-0.4。与osk、HIV依赖单一GC-rich CSs不同，这种模式难以形成稳定寡聚体。

暴露GC序列导致发育缺陷

CRISPR构建的nos-HIV（含HIV SL1茎环）和nos-nos（含内源CSs）品系显示：1）体细胞中单分子mRNA比例降至46-61%（对照81%）；2）胚胎腹部节段缺失和孵化率下降（21.3% vs 86.2%）；3）卵巢中生殖干细胞（GSCs）耗竭率达67-86%。这些表型与GC序列暴露程度正相关。

讨论与意义

该研究提出"RNA折叠保护"模型：生殖颗粒mRNA通过维持折叠状态，既避免GC-rich CSs介导的有害聚集，又允许低互补性区域的瞬时相互作用维持聚类动态性。这种机制：1）解释了同源mRNA簇的特异性分离现象；2）为RNP颗粒的组成调控提供了结构基础；3）揭示了RNA结构异常与发育障碍的关联。研究还暗示，类似机制可能存在于应激颗粒等RNP凝聚体中，为相关病理研究提供新思路。

技术层面，DMS-MaPseq与SIS模型的结合开创了RNA相互作用研究新范式。值得注意的是，虽然GC-rich CSs在体外能增强RNA相互作用（如HIV序列使LaczA/B共定位率提高73%），但其在体内的暴露会导致基因表达紊乱，说明进化可能通过结构隐藏这些"危险序列"。该成果为理解RNA相分离的序列-结构-功能关系建立了新框架。