在Azoarcus前tRNA中群I内含子剪接前的构象与分步环化

会自我编辑的RNA

在每个细胞内，有些RNA分子能够在无需蛋白质帮助的情况下自行剪切与连接。本研究考察了来自一种名为Azoarcus的细菌的这种RNA，并提出一个看似简单却意义深远的问题：这种RNA如何既能将自身从更大的分子中剪接出来，又能在无需外力下卷曲成稳定的环状结构？

隐藏在转运RNA中的微型机器

所讨论的RNA位于转运RNA（tRNA）内部，tRNA通常在蛋白质合成时帮助翻译遗传信息。在这里，一段额外的RNA序列——称为群I内含子——打断了tRNA。这个内含子表现得像一台微型机械：它自行切出并将两侧片段连接起来以恢复完整、可用的tRNA。以往的研究只获得了部分片段或不活跃的构象，因而对全长分子在切割前后如何折叠与运动仍有认识空白。

冻结运动以观测步骤

为观察这一过程，研究团队使用了冷冻电子显微镜（cryo-EM），该技术能快速冷冻分子并以接近原子级的细节成像。他们制备了三种主要形态的RNA：带有内含子和外显子的完整前体、在tRNA修复后释放的线性内含子，以及内含子两端闭合成环后的产物。这些快照显示，即便在第一次切割之前，起始位点已在一段类螺旋结构中对齐，使RNA处于准备自我剪接的就绪状态。催化核心的其余部分与早期结构高度一致，表明即便与完整的tRNA臂相连，必要的框架仍保持稳定。

滑动的螺旋与翻转的核苷酸

比较前体与释放的线性内含子后，团队发现靠近切割位点的一小段螺旋在剪接后恰好滑动了两个碱基。这一微妙的移动将内含子末端重新定位到催化中心，使其能够攻击自身的骨架并闭合成环。另一个关键特征是一枚核苷酸G37，它在内含子环化时发生方向翻转。在环状构象中，G37形成了一个稳定接触，帮助将反应位点保持在恰当的构形。当在体外实验中将G37替换为其他碱基时，一种替换提高了环化效率，而其他替换则破坏了环化，凸显出单一枢纽位点如何调整整个反应。

一个内含子生成两个环

出人意料的是，内含子并不在形成一个环后停止。在更长时间尺度上，研究人员观察到第二种稍小的环状RNA出现。生化测定显示，第一个环在中性条件下可在其连接处悄然重新打开，产生一种新的线性形式，随后在不同位置重新闭合，去除多几个核苷酸。对这一第二环进行的冷冻电镜显示，邻近螺旋的一部分已解旋，导致活性中心附近出现更开放、更柔性的区域。这种更松弛的结构可能有助于RNA重新对齐将在第二次环化过程中被断开与重连的键。

金属离子的塑形与未来工具的设计

这些结构还突显了金属离子如何引导化学反应。若干金属位点在各个阶段保持位置以支撑整体折叠，而其他位点则随着RNA从剪接到环化的运动改变其精确接触。这些变化有助于在每一步中固定反应键和发起攻击的基团。螺旋滑动、核苷酸翻转与金属重排共同展示了一种单一的RNA骨架如何仅通过重新配置自身形状就精确地执行不同的化学反应。

这对生物学与生物技术的意义

对普通读者而言，核心结论是：RNA可以像由仅四种化学字母组成的灵活智能机器一样运作。这项工作提供了关于这样一台机器如何将自身从更大的RNA中切出并折叠成一种乃至两种环形产物的详尽分步视图。通过揭示关键可动部件及其位置，这项研究为设计能可靠形成环的人工RNA提供了蓝图。此类环状分子正被探索作为稳定的遗传信息载体和未来治疗工具，因此这些基础结构学见解与新兴的RNA技术直接相关。

引用: Hong, Y., Liu, J., Zhang, X. et al. Pre-splicing conformation and stepwise circularization of a group I intron in Azoarcus pre-tRNA. Nat Commun 17, 4280 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70747-y

关键词: 群I内含子, 环状RNA, 冷冻电镜, 自剪接RNA, RNA结构