結構生物化學/核酸/RNA/RNA摺疊

RNA如何展開和重新摺疊

一般來說，RNA從三級結構展開到二級結構，再到單鏈RNA，反之亦然。RNA展開取決於溫度來變性RNA，或者有時使用酶，例如RNA依賴性RNA聚合酶（RdRps）或解旋酶。此外，科學家使用稱為光鑷的技術，也稱為雷射鑷，以及熒光共振能量轉移，也稱為FRET，來研究二級和三級RNA結構是如何展開和重新摺疊的。此外，科學家使用陽離子結合來研究核酶是如何摺疊和展開的。

二級結構RNA

展開:
二級RNA結構可以透過提高溫度或使用化學試劑變性RNA來展開。另一種用於研究RNA如何展開的技術是光鑷。這種技術施加一個力，導致RNA在生理溫度和緩衝溶液中展開（79）。例如，髮夾RNA的兩端有兩個珠子——一個帶有光阱，另一個帶有微吸管帶。由此，當微吸管移動時，RNA可以被拉伸和解壓縮。

重新摺疊:
RNA重新摺疊發生在RNA展開的反向過程中。當微吸管移動時，RNA可以被推回，這使得RNA鬆弛並重新摺疊。然而，如果光鑷施加的鬆弛力增加，這會導致RNA錯誤摺疊（81）。

RNA中的錯誤摺疊可以透過增加力來糾正。當力增加時，RNA將試圖重新摺疊成一個活躍的功能形式。

三級結構RNA

展開
三級RNA結構相對較弱，因此，透過改變溫度或與生理狀態不太不同的溶液可以破壞RNA相互作用。

重新摺疊
一種稱為FRET的技術，即熒光共振能量轉移，可以用來了解RNA是如何摺疊的（78）。科學家在RNA鏈上標記兩個染色的核苷酸，透過觀察RNA摺疊，FRET訊號使科學家能夠測量這兩個染色的標記核苷酸之間的距離和基序隨時間的變化。此外，科學家還可以使用FRET來了解當RNA與Mg2+或核糖體蛋白結合時，RNA構象的變化。

RNA酶的單分子

為了研究RNA酶的單分子，科學家使用核酶和FRET技術。核酶展開和摺疊的研究與二級或三級RNA結構研究的區別在於，科學家添加了一系列Mg2+，並觀察了FRET訊號，以判斷核酶是已對接（摺疊）還是未對接（展開）。透過這種Mg2+“脈衝追蹤實驗”，科學家可以找到髮夾核酶的酶促狀態的“動力學指紋”（84）。基於此，科學家能夠弄清楚核酶參與了化學反應，例如氧化或還原、核苷酸的合成和肽的形成。因此，核酶的研究加強了RNA世界假說，該假說指出RNA先於DNA（85）。

配體和蛋白質與RNA結合的影響

RNA展開的另一種方式是透過配體和/或蛋白質的出現或缺乏。特定的蛋白質和/或配體與RNA結合並導致其解壓縮。透過使用一種稱為單分子熒光的技術，科學家研究了核糖核蛋白（RNP）及其對RNA的影響（88）。在這種技術中，科學家可以透過“電子冷凍顯微鏡和晶體學”來計算噬菌體中的RNP亞基（89）。然後，當RNA髮夾展開時，RNP被組裝，蛋白質與RNA結合，導致RNA改變構象。

單分子熒光技術有三種常用的應用。第一個只是計算核糖核蛋白（RNP）中的亞基。第二種常見技術是退火兩個髮夾，需要展開兩者。目前，特定蛋白質的作用尚不清楚。第三種技術是利用RNP組裝是順序性的這一事實。由於RNP組裝是順序性的，這表明蛋白質結合早期發生的事件會導致RNA的構象變化。透過在端粒RNA的不同位置標記一對熒光團，科學家已經確定p65蛋白的結合可以誘導構象變化。

在DNA中，精氨酸是用於結合和穩定分子的組分。然而，在RNA中，是精氨醯胺，而不是精氨酸，穩定並結合了TAR髮夾。

用於展開RNA的酶

科學家瞭解到，RNA需要能量輸入才能展開自身，但是，RNA摺疊不需要能量，因為這是一個自發反應。根據“RNA如何展開和重新摺疊”中的作者，為了展開RNA中的三到四個鹼基對，使用了一個ATP（89）。因此，解旋酶或RNA依賴性RNA聚合酶透過使用核苷三磷酸水解反應時存在的化學能來幫助RNA展開。例如，解旋酶從ATP水解反應中獲取能量來提取與RNA結合的蛋白質並展開雙鏈RNA（90）。因此，隨著ATP濃度的升高，該步驟將更快。雖然RNA依賴性RNA聚合酶尚未完全探索，但科學家相信並預期其與解旋酶的工作方式相似。

RNA展開的另一種方式是將單鏈RNA與單鏈特異性蛋白質結合。然而，在這種情況下，結合必須很強，以克服鹼基對鍵閤中看到的力。

在病毒RNA複製中，RNA必須是單鏈的，以便其序列在複製和翻譯過程中被解釋。RNA分子首先被RNA依賴性RNA聚合酶或核糖體展開。透過水解核苷三磷酸，酶可以利用該能量來展開RNA底物。RNA需要具有不同的序列。

參考文獻：李，潘T.X.，蒂諾科 Jr，伊格納西奧，維雷格，傑弗裡。“RNA如何展開和重新摺疊。” 生物化學年度綜述。2008. 77-100。列印。

三級結構摺疊

三級摺疊指的是遠端結構域之間的相互作用，這些相互作用形成 RNA 執行催化和調節功能所需的結構。這些相互作用相當弱，可以透過溫度和溶液的微小變化輕鬆展開。具體而言，FRET 技術被用於觀察 RNA 的三級摺疊。該技術透過測量兩個熒光染色的核苷酸之間的距離來實現。這使得能夠即時觀察特定的三級結構，包括相互作用的 RNA 鏈的獨特摺疊。FRET 技術對於研究 RNA 摺疊至關重要，它透過測量結合鹽（Mg2+）或核糖體蛋白時構象的變化來實現。一個被廣泛研究的重要結構是四環-受體相互作用，該結構存在於許多大型摺疊的 RNA 中，並被用於構建合成 RNA “構建塊”。

使用光鑷並增加作用力，可以將 RNA 展開成四種不同的構象，順序如下：親吻複合物、兩個連線的髮夾結構、一個髮夾結構和單鏈結構。同樣，當作用力減小時，單鏈結構可以以相反的順序重新摺疊成親吻複合物。親吻相互作用被定義為兩個髮夾環之間的鹼基配對（互補序列），而髮夾環是在單個 RNA 中兩個互補序列相遇並結合時形成的。

鹽對三級結構的影響

在三級結構中，摺疊和穩定性高度依賴於離子條件，特別是 Mg²⁺ 的濃度。因此，金屬離子對 RNA 的三級結構的影響大於對二級結構的影響。Mg²⁺ 降低了破壞三級相互作用的動力學速率，但對摺疊速率的影響很小。

常見體現鹽效應的結構域包括內含子核酶、假結和環-環相互作用：在 **內含子核酶** 中，在 MgCl₂ 中觀察到明顯的斷裂，表明結構域的展開。在沒有 Mg²⁺ 的情況下，沒有觀察到斷裂。

在 **假結** 中，形成緊密的結構，並且與結合的 Mg²⁺ 一起穩定性增加。

在 **環-環相互作用** 中，使用作用力操控來觀察分子內親吻複合物的變化。這可以透過二級結構的展開和重新摺疊來觀察。鹼基對序列影響親吻相互作用的鹽依賴性。^[5]

參考文獻

引文：Li, Pan T.X., Jeffrey Vieregg, and Ignacio Tinoco. "How RNA Unfolds and Refolds." Annual Review of Biochemistry 77.1 (2008): 77-100. Print.