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研究人员将这种RNA通过基因工程加入到细胞中

2020年4月10日 - 职业教育
研究人员将这种RNA通过基因工程加入到细胞中

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RNA适配体是一种短RNA,可通过结合细胞内的分子或蛋白质调节细胞内进程。尽管RNA适配体具有潜在的应用价值,但它并没有其他RNA技术广泛应用,主要问题是它们不能高浓度表达,从而不能有效调节蛋白质功能,同时也阻碍了RNA装置,例如RNA代谢物生物传感器在哺乳动物细胞中的应用。通常,基于RNA的生物传感器是通过融合适配体来构建的,这些生物传感器在哺乳动物细胞中无法检测到荧光信号。基于以上现状,Samie
R.
Jaffrey国家设计了一个新的表达系统Tornado,实现了RNA适配体和基于RNA装置在哺乳动物细胞中的高水平表达和功能活性。

科学家开发出新型荧光标记工具
1962年科学家们首先在水母体内发现了绿色荧光蛋白,从那以后,这种神奇的蛋白质成为生物学功能研究的重要工具之一。在绿色荧光蛋白的帮助下,研究人员不仅能够成像观测基因表达和蛋白质动态,还可以检测细胞内离子和小分子浓度、酶活性,标记细胞或分子亚群,实现复杂的动力学时空分析。这一突破性的科学成果以其在后续数十年的生命科学研究中发挥的巨大作用,而获得了2008年度的诺贝尔化学奖。近日来自美国威尔康乃尔医学院的研究人员称他们开发了一种可以跟GFP蛋白媲美的新型荧光工具,这种被命名为Spinach的RNA-荧光基团复合物可用于追踪细胞内各种RNA的功能动态。这一新技术将帮助科学家们揭开与人类生命活动及疾病相关的RNA的神秘面纱。论文发表于《科学》杂志。Spinach为大家提供了一个重要的研究工具,帮助了解RNA在生物学中的各种功能,文章的资深作者、威尔康乃尔医学院药理学系副教授Samie
Jaffrey博士说。近年来,随着生物学研究的飞速发展,RNA在生命活动中所行使的多种生物功能及作用机制不断获得深入解析。过去科学家们认为RNA的功能仅仅是参与蛋白质生物合成,蛋白质是细胞所有生命活动的唯一物质基础,Samie
Jaffrey说:然而现在我们知道细胞中存在多种不同类型的RNA,其中一些RNA并不参与蛋白质的合成,而主要是对细胞内信号传导和基因表达起重要的调控作用。在过去的几年里,RNA分类研究不断取得突破性进展,在揭开编码蛋白质的信使RNA之后,研究人员又发现了多种影响翻译及基因表达的非编码RNA,并证实某些情况下这些RNA可直接与蛋白质结合对其功能进行调控。然而一直以来科学家们对于这些RNA的作用机制却知之甚少。鉴于GFP蛋白在细胞内蛋白质功能研究中的广泛应用,Jaffrey研究小组提出了一个奇妙的设想:能否开发出一种具有GFP相似功能的荧光RNA复合物,用于细胞内RNA的动态研究。在新研究中,Jaffrey研究小组的科研人员利用RNA能够折叠形成复杂三维形状的特性,构建了两个新实体:一段显示特异形状的合成RNA序列,以及一个与RNA结合后发射荧光的小分子。在这一研究中,我们面临着两个巨大的挑战,Jaffrey博士说,第一是要获得能够激活小分子的RNA序列,第二则是要找到能够进行时间控制且对细胞无毒性作用的荧光小分子。Jaffrey等对多种分子进行了尝试性实验,其中大部分由于会与细胞膜上的油脂结合发射荧光或本身具有细胞毒性而无法将其用于构建理想的荧光分子。最终,研究人员发现GFP蛋白中就包含了他们一直想寻找的分子一种荧光基团。于是研究人员根据这一荧光基团的形状合成了一些化学分子,并在随后构建了一条能够衔接这些化学分子的人工RNA序列。研究人员将他们第一个成功构建的RNA-荧光基团复合物命名为Spinach。在进一步的实验中,研究人员再度成功构建出与Spinach发射不同荧光波长的多个RNA-荧光基团复合物。目前威尔康乃尔医学院的研究人员已开始利用Spinach追踪细胞中的非编码RNA。我们实验室长期以来致力于解析RNA运输及移位缺陷与儿童发育性疾病之间的关系,通过Spinach,大家观察到在细胞压力应激反应中一种非编码RNA发生了快速的积聚。Jaffrey博士说:我们希望通过Spinach能够更深入地了解细胞中的RNA运输机制,以及它们在疾病中的受累情况。文章的第一作者Jeremy
Paige博士表示:目前在生物学中还存在大量围绕RNA的谜题。在过去科学家们证实荧光标记成像技术是一种非常强大的研究工具,我们期望Spinach也能像GFP一样开启一条科学研究的新途径帮助加速研究发现。更多阅读《科学》发表论文摘要

新技术可实时观测核小体代谢产物变化
来自美国康奈尔大学Weill医学院的研究人员发表了题为Fluorescence Imaging of
Cellular Metabolites with
RNA的文章,通过一种修饰过的RNA:Spinach,对核小体中小分子代谢产物进行了成像,从而能实时观测这些代谢产物的变化。这项技术克服了常见GFP方法的缺点,将有可能革新目前代谢组的研究面貌,相关成果公布在Science杂志上。文章的通讯作者是Weill医学院药理学副教授Samie
R.
Jaffrey,他表示,了解代谢产物活动情况将能帮助我们更新,更有效的分析这些产物在疾病中的变化情况,从而找到能恢复病患代谢的新治疗方法。细胞代谢物水平操控着许多细胞功能,正因此次,这些代谢物也是分析细胞在某一特定时间的活动的强有力工具。举例来说,生物学家们已经知道癌细胞中的代谢是不正常的,这些细胞能改变其葡萄糖的代谢,生成一些特殊降解产物,比如乳酸,产生不同的代谢谱。如果能了解这些代谢异常的机理,那么就能深入分析癌症如何发生发展的。但是迄今为止,在活体中监测代谢变化十分困难。在这篇文章中,研究人员证明利用一种特殊的RNA序列,就能观测到活细胞中代谢物的水平。这些RNAs就是SpinachRNA,这种RNA-荧光基团复合物可用于追踪细胞内各种RNA的功能动态,这提供了一个重要的研究工具,帮助了解RNA在生物学中的各种功能。具体来说这一复合物是利用RNA能够折叠形成复杂三维形状的特性,构建了两个新结构:其一能显示特异形状的合成RNA序列,另外一段与RNA结合后发射荧光的小分子。研究人员将这种RNA通过基因工程加入到细胞中,并使之在遇到特异性结合的代谢物的时候,才会打开,发出荧光信号。在这项研究中,研究人员设计了5种代谢物的追踪,包括ADP,SAM等。Jaffrey说,在此之前,还未有人能观察到这些代谢物在活细胞中的实时水平变化。同时研究人员还将RNA感应器传递进细胞,帮助他们在单细胞中分析靶标代谢物的水平,您能看到这些代谢物表达水平如何应答通路信号,或者遗传变化的,并且还能治疗异常代谢的药物。这种方法克服了常用的绿色荧光蛋白GFP检测方面的缺点,GFP与其它蛋白能通过与代谢物结合蛋白的融合表达,用于检测代谢,在某些情况下,代谢物的结合可以扭曲蛋白,影响荧光成像,但对于大多数代谢物来说,并不能与GFP融合成感应器的合适蛋白。通过利用RNAs作为代谢感应器,这一问题就得到了解决,RNA令人叹服之处在于,从本质上来说,其序列能结合到任何想要结合的小分子上面,而且在两个星期的时间内就能完成。这种方法将能帮助科学家们分析任何小分子代谢物在细胞中的变化,而且经过研究人员的进一步探索,这一技术还可以用于检测活细胞中的蛋白,和其它分子。除了基础研究以外,这一技术还可以用于临床研究,Jaffrey表示他们对于大脑神经细胞中代谢物变化十分感兴趣,希望能由此开发出治疗自闭症之类疾病的新方法。更多阅读《科学》发表论文摘要特别声明:本文转载仅仅是出于传播信息的需要,并不意味着代表本网站观点或证实其内容的真实性;如其他媒体、网站或个人从本网站转载使用,须保留本网站注明的来源,并自负版权等法律责任;作者如果不希望被转载或者联系转载稿费等事宜,请与我们接洽。

Tornado表达系统不需要任何额外的蛋白质或酶共同表达就能实现循环,快速高效,因此RNA是稳定的。基于Tornado表达的转录本包含一段RNA,两侧是扭曲的核酶。核酶迅速发生自催化裂解,末端由普遍存在的内源性RNA连接酶RtcB连接。此外,蛋白质结合的RNA适配体在其他方面对细胞的影响微乎其微,是一种强有力的抑制剂。

Samie R.
Jaffrey国家构建的基于RNA的s-腺苷甲硫氨酸(SAM)荧光代谢物生物传感器,能够低表达线状RNA,也足够达到检测细胞内环状RNA表达SAM动力学水平。以花椰菜适配体为例,通过荧光载体DFHBI-1T染色,在与花椰菜结合后就产生荧光。通常情况下,线性RNA适配体在经过6小时的放线霉素D(actD)处理后会完全消失,因为它们会迅速降解。相反,环状RNA适配体在这一处理过程中并没有明显的变化。同时,实验数据表明,扭曲核酶自裂解的速度比优化的锤头状核酶快数百倍。因此,Tornado表达系统使RNA适配体和RNA装置成为哺乳动物细胞中操纵蛋白质和成像细胞过程的工具。(文章来源:Nature
Biotechnology (2019). DOI: 10.1038/s41587-019-0090-6)

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