直接RNA测序与信号比对揭示真核细胞中的RNA结构集合

为什么RNA的形状很重要

在每个细胞内，RNA分子不仅仅是携带遗传信息的载体；它们会弯曲和折叠成各种形状，这些形状能调节基因如何被翻译成蛋白质。本研究提出了一种在生物体系中逐分子观察这些形状的方法，揭示出许多RNA并不只采用单一构象，而是在多种结构之间切换，这些结构能够影响病毒和真菌病原体。

读取折叠RNA的新方法

作者构建了一种称为sm-PORE-cupine的方法，将用于标记RNA柔性部位的化学“高亮剂”与将单条RNA穿过微小孔并测量电信号的技术相结合。化学探针标记每条RNA上暴露的区域，当被标记的链通过纳米孔时，这些标记会微妙地改变电信号。通过分析单个分子沿长度方向的这些信号变化，该方法在不先将RNA逆转为DNA的情况下，恢复出每条RNA的结构指纹。

将嘈杂信号转为清晰模式

大量标记的RNA对标准软件来说难以读取，因此团队增加了第二步分析，直接比对原始电流轨迹，而不仅仅依赖逐字母的匹配。这种基于时间扭曲的信号比对挽救了大量本会被丢弃的读数，尤其是那些含有大量化学标记且携带强结构信息的读数。研究者随后使用统计聚类策略，将数千条单分子指纹分拣成若干组，每组代表细胞内一种常见的折叠模式或结构群体。

揭示病毒RNA的隐匿多样性

为验证该方法，科学家们首先展示了它能干净地区分短调控RNA（称为核糖开关）已知的结构状态，这类RNA在结合小分子时会改变形状。随后他们转向导致COVID-19的冠状病毒SARS-CoV-2的基因组。聚焦于病毒基因组的尾端——许多较短病毒RNA产生的区域，他们发现该区段具有特别丰富的结构多样性。同一段序列至少能折叠出两种主要构象，而且这些构象在不同病毒亚基因组RNA中的相对比例会变化，暗示可选折叠可能微调每种病毒RNA在感染过程中的行为。

真菌RNA如何响应热量

作者接着将sm-PORE-cupine应用于白色念珠菌的转录组——这种真菌在温度升高时可从酵母形态转变为侵袭性的丝状形态。他们比较了细胞内与试管中在较冷与较暖条件下的RNA折叠情况。试管样本的RNA通常结构更为一致，表明拥挤且富含蛋白的细胞内环境促成了更广泛的构象混合。在该真菌中，编码区往往比尾区具有更大的结构多样性，且易降解的RNA更趋向于单链且结构一致。当细胞升温时，许多RNA显示出向更均一折叠的转变，与热部分熔解复杂结构相一致。

作为温度感受器的RNA尾部

对特定真菌RNA的更细致观察发现，其3′尾部的片段会随温度改变结构混合，并与蛋白产量变化相关联。在两个此类基因中，将这些尾部片段插入到报告酶后方就足以在试管翻译体系中以温度依赖的方式改变蛋白产量。这些结果表明，一些RNA尾部可能充当简单的温度计，随热改变构象，从而调节细胞从这些信息生成蛋白的效率。

这项工作告诉我们的内容

该研究表明，病毒和真菌中的许多RNA以构象集合存在，而非单一固定形式，并且这些可变结构可以与蛋白产量和信息降解速度相关联。通过使用纳米孔装置逐分子读取RNA形态，sm-PORE-cupine为将RNA的物理形态与其在感染、应激反应及其他过程中的功能连接起来提供了一个强有力的工具。

引用: Wang, J., Han, J., Tan, W.T. et al. Direct RNA sequencing and signal alignment reveal RNA structure ensembles in a eukaryotic cell. Nat Methods 23, 914–923 (2026). https://doi.org/10.1038/s41592-026-03069-y

关键词: RNA结构, 纳米孔测序, SARS-CoV-2, 白色念珠菌, 基因调控