李幸团队解读体内单分子RNA结构解析方法

细胞RNA在结构和功能上表现出高度的异质性。RNA结构的动态变化能够调控其自身的不同功能，如剪接，出核，翻译活性等。因此，单分子水平的RNA结构解析能够为理解RNA功能提供崭新的视角。2023年1月18日, 国际著名学术期刊Trends In Biochemical Sciences在线发表了李幸团队题为“In vivo single-molecule RNA structural profiling”的述评论文，解读了英国Yiliang Ding团队在Nature(Nature, 2022, 609, 394–399)上报道一种新的RNA结构解析方法——单分子RNA结构测序(single-molecule-based RNA structure sequencing, smStructure-seq)。该方法能以单分子的分辨率解析活体内RNA的结构信息，并通过降维算法找出特定RNA的主要构象，从而揭示复杂结构RNA的结构-功能机制。 

　　传统的RNA的二级结构分析主要采用热力学的计算预测和化学探针方法。基于热力学的计算方法预测热力学上稳定的RNA构象，准确性有限，而且计算方法受到RNA序列的限制，难以解析同序列RNA结构变化。化学探针方法通过化学修饰RNA，但是只能提供RNA整体结构而非单分子RNA结构，掩盖了RNA分子之间的结构异质性。总而言之，这两种方法都不能解析体内单分子RNA的构象，因此限制了其应用。 

　　近年来，高精度测序技术的发展为读取化学探针修饰位点提供了更高精度的鉴定方案。smStructure-seq技术结合了体内基于引物扩展的2'-羟基酰化(Selective 2’-hydroxyl acylation analyzed by primer extension，SHAPE)探针结构修饰与高保真测序技术，能够以单分子分辨率解析活体中的RNA结构，在RNA结构-功能探索领域的强大潜力。 

　　研究者利用smStructure-seq探索了拟南芥中COOLAIR (cold induced long antisense intragenic RNA) RNA的功能机制。COOLAIR RNA是植物中的一种长链非编码RNA(long non-coding RNA, lncRNA)，它能够调控下游的开花基因FLOWERING LOCUS C（FLC）表达，调控植物的开花时间。然而，环境温度如何影响COOLAIR RNA，导致开花时间变化仍然未知。 

　　smStructure-seq结果显示，在冷暖两种环境温度下，拟南芥的COOLAIR RNA能够形成不同的主要结构。其中，主要构象的高变区（Helix 4到Helix 6之间的区域，标记为H4-H6区）结构在两种环境温度下呈现出极为显著的差异，因此这一区域可能是一个潜在的结构调控位点。随后，研究者构建了这一区域的突变体，验证了COOLAIR高变区的结构变化与下游FLC基因表达的相关性，从而证明了环境温度能够影响COOLAIR RNA结构进而调控下游基因转录。这种新的研究方法巧妙地展示了细胞RNA的异质性，为RNA结构-功能研究提供了一个重要范式。 


图1 smStructure-seq揭示lncRNA COOLAIR单分子结构与功能响应环境温度的机制

　　北京生命科学研究院李幸研究员为通讯作者，团队成员陈振寅与段弘韬为该论文的共同第一作者。这项工作得到了国家自然科学基金、北京生科院启动资金项目的资助。 

　　论文链接：https://www.cell.com/trends/biochemical-sciences/fulltext/S0968-0004(23)00005-1