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生物大分子（蛋白质和RNA）可以通过分子间多价相互作用发生相分离，形成高度浓缩的凝聚体。通常情况下，凝聚体具有很好的流动性，可以和外界发生分子交换，在细胞中这些凝聚体，被称为无膜细胞器，它们在细胞中扮演重要角色，有重要的生理和病理作用。相分离主要发生在具有无序低复杂度区域的蛋白质间、蛋白和RNA之间，以及具有重复序列的RNA间。
重复序列RNA的相分离和溶胶-凝胶的相转变与亨廷顿舞蹈症、肌萎缩性侧索硬化症等神经退行性疾病的发生密切相关。目前，对相分离凝聚体中RNA的结构研究很是匮乏，主要原因是缺乏合适的分析和表征手段。
近日，中科院精密测量科学与技术创新研究院唐淳研究员（现北京大学化学与分子工程学院教授）与华中科技大学武汉国家光电实验室王平教授在《Journal of the American Chemical Society》上，发表标题为“Nucleobase Clustering Contributes to the Formation and Hollowing of Repeat-Expansion RNA Condensate”的研究论文，该研究将激光共聚焦拉曼光谱、超光谱受激拉曼射成像技术应用到RNA相分离凝聚体的结构研究中。激光共焦拉曼光谱具有超高的空间分辨率、无需标记、是一种非破坏性的微区分析手段，可对单个凝聚体的不同部位进行结构比较分析。超光谱受激拉曼射成像具有亚微米分辨率，可对特定的共价键进行成像。该研究通过对RNA凝聚体结构进行分析，发现在RNA vesicle凝聚体中，边缘的nucleobase clustering结构更为突出，该结构的形成可能与含RNA的无膜细胞器的老化过程有关。
20×CAG在不同RNA/Mg 2+条件下，相分离形成尺寸不同的液滴和中空的 vesicle结构。利用激光共聚焦拉曼光谱对溶液和液滴中RNA进行结构研究，发现在相分离过程中，驱动力除了分子间碱基配对外，还有碱基间的堆积和非典型的氢键作用，这同时被pH，己二醇，尼罗红染色及MD 模拟所证实。
20×CAG 相分离形成液滴和vesicle（A）, 相分离前溶液和相分离液滴的拉曼光谱（B）
利用高光谱拉曼成像对凝聚体中RNA结构进行成像，发现小液滴（I）、大液滴（II）和vesicle (III) 中心和边缘的RNA结构差异明显。小液滴中边缘的拉曼强度与中心的拉曼强度相当，内部RNA结构基本分布均匀。而大液滴和vesicle中，拉曼强度急剧转变，均具有清晰的边缘，其中，边缘主要是nucleobase clustering结构，而中心主要是碱基配对。该研究表明vesicle的形成是一个连续的过程，虽然在光学显微镜下看不到大液滴清晰的边缘，但结构图像呈现显示，大液滴已经形成了vesicle-like结构。另外，荧光猝灭恢复（FRAP）实验证明大液滴和vesicle的边缘更具有刚性。
小液滴（I）大液滴（II）和vesicle（III）高光谱拉曼成像（A），RNA凝聚体结构变化示意图（B）
RNA分子常被发现分布在蛋白-RNA相分离凝聚体的表面，且RNA可以限制蛋白-RNA凝聚体的大小。正如该研究中的RNA vesicle，边缘的RNA具有机械刚性， RNA外壳可以作为无膜细胞器的物理边界。
中科院精密测量科学及技术创新研究院博后马滢雪和华中科技大学光电实验室博士生李昊政为文章的共同第一作者。北京大学化学与分子工程学院唐淳教授与华中科技大学武汉国家光电实验室王平教授为共同通讯。该研究获得国家重点研发计划、国家自然科学基金、武汉国家光电实验室创新基金等项目共同资助。
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https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.1c12085
来源：高分子科学前沿
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