RNA的自我调控功能

近日，科学家们获得了两个结合在一起的RNA分子的结晶结构图谱，这一科研结果不仅能够帮助科研人员了解这些调控核糖开关（riboswitch）是如何对mRNA的表达进行调控的，也可以进一步丰富我们对RNA结构以及组织类型的理解和认识。

近三十年里，关于RNA在细胞生理进程中所起到的作用，我们有了爆炸式的认识。比如有一大类调控RNA——我们将其称作核糖开关（riboswitch），通过对这些分子的结构的研究，可以了解这些核糖开关能够通过与特异性配体（ligands）的识别、及结合的方式，对其下游信使RNA的转录，或者翻译过程进行调控。最近，Zhang和Ferré-DAmaré等人又发现了一个新的分子结构，这是一种细菌核糖开关的分子结构，是T-box核糖开关与tRNA分子结合而成的复合物的分子结构。Zhang等人的研究成果向世人展示了一种RNA分子是如何识别另外一个与其大小差不多的RNA分子，然后又通过一种非常简单的开关机制，对自身的转录进行调控这一整个过程。

为了合成蛋白质，细胞必须对各种tRNA进行调控，这些tRNA能够与对应的氨基酸残基共价结合，将其运送至蛋白质链上的相应位置。氨酰-tRNA合酶（aminoacyl-tRNA synthetases）就是负责让tRNA与对应的氨基酸残基共价结合的酶。在革兰氏阳性菌中，有一种叫做T-box的核糖开关，该分子位于每一种氨酰-tRNA合酶mRNA编码序列的上游，起到负向调节该合酶编码mRNA分子合成的作用。

在这种T-box RNA分子里，至少含有两种独立的折叠结构域（folded domain），其中一种是起到感知作用的适体结构域（aptamer domain），该结构域能够形成一种长茎结构，与特定的tRNA分子结合，我们将其称作stem I结构域；另外一种结构域则是在两种不同的构象间进行转换，起到真正的分子开关的作用，该结构域的开关取决于所结合的tRNA分子是否连接了氨基酸残基。如图1a所示，如果tRNA分子上连接了氨基酸残基，那么氨酰-tRNA合酶编码mRNA的转录过程就会终止，如果tRNA分子上没有连接氨基酸残基，那么T-box分子开关就会稳定在抗转录终止的构象（antiterminator conformation）上，促进氨酰-tRNA合酶编码mRNA的转录，以及后续蛋白质的合成作用，如图1b所示。

stem I结构域是一种双螺旋（double-helical）的RNA结构域，大约有100个核苷酸那么长，上面遍布了多个结构非常保守的基序（motif）。之前的研究已经发现，这些基序中绝大部分都与tRNA的识别和结合作用相关，不过原子层面（atomic-level）的详细作用机制还不清楚。Zhang和Ferré-DAmaré他们的工作首次观测到了T-box分子中的stem I结构域，与未结合氨基酸残基的甘氨酰tRNA分子组成的复合体的晶体结构，让我们有机会了解核糖开关与tRNA分子结合的具体细节。这个复合体的晶体结构图还能够解释stem I基序的精细作用，提供与其协同作用相关的具体信息，也能够帮助科学家们了解这种基序的结构为什么会高度保守。

stem I结构主要识别的似乎是tRNA分子上的两个位点，分别是反密码子环（anticodon loop）和T、D环（T- and D-loops）。而且stem I结构还会进行折叠，适应tRNA的形状，以便让stem I结构域的两端分别与反密码子环和T、D环接触并结合。

其实科学家们根据生物信息学（bioinformatics）数据、生物化学数据，以及结构学的数据已经预测出了tRNA的T、D环能够与T-box的stem I结构域结合。比如前不久有一个晶体结构研究工作就得到了这种T-box和tRNA复合体中stem I结构域末端片段的结构图，从图中就可以看出，该片段呈现出两个环互相交错在一起的结构（interleaved loop），这种结构与核酶RNase P与另外一种组成核酶的RNA组份形成的复合体（这两种较大的RNA分子也能够识别tRNA）的结构非常相似。在这种核酶复合体中，交错环结构就参与了tRNA分子的识别与结合作用，主要的结合机制就是让RNA复合体中一个平面上的碱基堆积到tRNA分子中在进化上高度保守的未叠加碱基上。

Zhang和Ferré-DAmaré等人近日得到了T-box核糖开关上的stem I结构域与未结合氨基酸残基的tRNA组成的RNA复合体的晶体结构图。从图中可以看出，stem I结构域在双核苷酸突起（dinucleotide bulge）和K转折（K-turn）这两个位置折叠，分别与tRNA分子的反密码子环和T、D环结合。a，tRNA分子上结合的氨基酸残基能够阻止T-box分子上stem I结构域下游的基序与tRNA的受体末端（acceptor end）结合，促进终止环（terminator loop）的形成，阻止T-box分子下游的mRNA的转录。b，在未结合氨基酸残基的tRNA分子中，游离的受体末端能够直接与T-box序列发生相互作用，促进抗终止环（antitermination loop）的形成，使得mRNA继续大量转录，并翻译成相应的蛋白质。

Zhang和Ferré-DAmaré得到的晶体结构图验证了这种猜想，同时也证明了这种交错环结构能够识别tRNA分子中保守的肘状结构（elbow），而且采用的方式也和之前观察到的差不多。这个结构图还让科学家们得到了一个惊人的发现，即甘氨酰tRNA上的反密码子三联序列与stem I结构域的相互作用几乎与反密码子环与核糖体上的mRNA之间的相互作用是一模一样的。

Zhang等人的工作还进一步揭示了一种非常精妙的相互诱导契合机制（mutually induced fit mechanism），T-box核糖开关使用的就是这种机制，所以能让T-box与tRNA分子的构象互相适应，贴合得更加牢固。由于tRNA分子的可塑性较高、弹性非常大，所以这一次得到的复合体晶体结构图也非常漂亮，清晰的展现了stem I结构域是如何弯曲、折叠，以适应tRNA两个铰链区（hinge region）的分子结构，与其完美地贴合在一起。这两个铰链区都是高度保守的结构域，其中一个是双核苷酸突起（dinucleotide bulge）基序，另外一个是K转折（K-turn）基序，如图1所示。从这个结构图中也可以了解到，为什么这两个铰链区发生突变之后就会影响到stem I结构域对tRNA的结合与调控作用。

由此可见，Zhang和Ferré-DAmaré的工作对于帮助我们从原子层面上去认识T-box核糖开关的作用机制起到了多么大的作用。它揭示了一种小分子RNA是如何“尽其所能”的与tRNA发生相互作用，与其结合在一起的。不过T-box核糖开关是如何识别tRNA是否已结合氨基酸残基，并改变其构象与之结合，发挥调控功能，这些作用机制现在还不清楚，但是Zhang等人的这项工作能够帮助我们更接近事情的真相。

这个晶体结构信息还提供了很多其它非常有价值、也非常有意思的信息，比如RNA间相互识别的信息、RNA结构以及组织类型的信息等。虽然目前有关大RNA分子的结构信息还比较少，但是从现有的资料中也能够发现RNA识别机制中的一些共性。从目前掌握的资料来看，对tRNA分子的识别至少会涉及RNA分子的两个末端区域。RNA分子的可塑性对于分子间的识别和结合起到了至关重要的决定性作用，能够让RNA分子间的相互作用最大化，使两个RNA分子的构象调整到充分契合的状态。另外，被反复使用的那几个结构基序，比如stem I结构域中的那几个基序，似乎也具有非常重要的作用。

T-box stem I-tRNA复合体的晶体结构图是一个很好的例证，证明了RNA分子在构象方面的可塑性（conformational versatility），RNA分子通过改变构象可以展现出各种不同的功能。随着我们对RNA结构与功能的认识不断深入，我们也逐渐认识到了RNA分子的其它功能，而在以前，我们都会认为这些功能都是蛋白质特有的。所以在将来的某一天，完全有可能用RNA来代替蛋白质，行使各种功能。我们希望在未来的生物学研究中能够发现更多的RNA功能。