来源：iNature（ID：Plant_ihuman）
单粒子冷冻电子显微镜 (cryo-EM) 已成为以原子分辨率确定蛋白质结构的标准技术。然而，无蛋白质 RNA 的冷冻电镜研究还处于早期阶段。嗜热四膜虫 I 组自剪接内含子是第一个被发现的核酶，并且一直是研究RNA 催化和结构 - 功能关系的重要模型系统 ，但其完整结构仍然未知。
2021年8月11日，四川大学苏昭铭，斯坦福大学Rhiju Das及Wah Chiu共同通讯在Nature在线发表题为“Cryo-EM structures of full-length Tetrahymena ribozyme at 3.1 Å resolution”的研究论文，该研究以 3.1 Å 的分辨率报告了处于无底物和结合状态的全长四膜虫核酶的冷冻电镜结构。
新解析的外围区域形成两个同轴堆叠的螺旋；它们通过两个环绕催化核心的亲吻环假结相互连接，并包括两个以前无法预见的三级相互作用。只有内部指导序列和鸟苷结合位点在与 RNA 底物结合时分别发生大的构象变化和局部变化。这些结果提供了一个长期寻求的范式 RNA 酶的结构视图，并标志着基于冷冻 EM 的核酶结构-功能关系研究的新时代。
在没有蛋白质的情况下，RNA 可以折叠成复杂的三级结构并参与重要的生物过程，例如催化、转录和翻译调节。然而，由于缺乏 RNA 结构信息，对 RNA 结构-功能关系的理解仍然有限。这种缺乏源于 RNA 的内在异质性对传统 X 射线晶体学和核磁共振带来的挑战。
单粒子冷冻电镜是一种确定结构的替代方法，但它在 RNA 中的应用受到限制，就像以前的方法一样。目前，分辨率优于 5 Å 的无蛋白质 RNA 冷冻电镜图只有不到 10 个，其中分辨率最好的为 3.7 Å。最近，开发了一个加速管道——Ribosolve——通过亚纳米分辨率的冷冻电镜图谱、使用 M2-seq 的二级结构图（通过下一代测序读取突变和图谱）来确定 11 种无蛋白质的 RNA 结构和 Rosetta 计算建模。分辨率为 6.8 Å 的野生型四膜虫核酶的全长结构是该方法的一大亮点。
1982 年，作为无蛋白质 RNA 催化剂的第一个例子，四膜虫 I 组自剪接内含子被发现，并创造了术语“核酶”。该核酶催化两个连续的酯交换反应以切割 5' 剪接位点，然后连接 5' 和 3' 外显子。广泛的研究表明，高度保守的核心形成了一个紧凑的结构。金属离子，尤其是 Mg2+，对于稳定 RNA 结构及其催化反应至关重要。已预测核酶的外围区域会形成长程相互作用以稳定核心 。这些区域的缺失和突变会影响核酶的折叠途径和稳定性，并通过变构调节催化作用。
尽管进行了大量努力，包括子域的开创性晶体结构，但核酶的完整结构仍然不可用。在这里，该研究确定了全长四膜虫核酶的结构，分辨率为 3.1 Å。该研究的结构揭示了以前没有描述过的三级相互作用，以及内部指导序列 (IGS) 和底物结合后催化位点的构象变化，提供了对这种经典 RNA 酶的结构和机制见解。
参考消息：
https://www.nature.com/articles/s41586-021-03803-w
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