PNAS：重大突破！利用RNA核酶復(fù)制和擴增RNA

2016年08月18日訊 RNA自我復(fù)制是RNA世界假說的一個關(guān)鍵部分，但是在實驗室中產(chǎn)生能夠合成、復(fù)制和擴增功能性RNA分子的核酶（ribozyme）一直是比較困難的。在此之前，最為成功的I類RNA聚合酶核酶變異體即便在它們偏好的模板---短的簡單的富含嘧啶堿基的RNA序列---上，工作效率并不高效。

在一項新的研究中，來自美國斯克里普斯研究所的研究人員報道他們利用體外進化產(chǎn)生一種改進的聚合酶核酶，這種聚合酶核酶能夠合成多種功能性的結(jié)構(gòu)化RNA和擴增短的RNA模板。相關(guān)研究結(jié)果于2016年8月15日在線發(fā)表在PNAS期刊上，論文標題為“Amplification of RNA by an RNA polymerase ribozyme”。

論文作者Gerald Joyce和David Horning利用I類RNA聚合酶核酶的一種變異體開始開展研究。他們隨后在它的整個序列上引入隨機突變，從而產(chǎn)生100萬億個變異體。Joyce和Horning隨后通過讓這些核酶變異體啟動合成RNA適配體（RNA aptamer）---結(jié)合到維生素B12的人工合成形式或GTP上的分子---來給這個變異體群體施加壓力。在每輪篩選時，研究人員選擇產(chǎn)生功能性產(chǎn)物、正確長度的產(chǎn)物或者正常長度的功能性產(chǎn)物的核酶變異體。

研究人員通過讓這些核酶變異體在更少的時間內(nèi)合成更長的RNA分子來增加隨后篩選的嚴謹性。到第24輪時，這個核酶變異體群體能夠合成出富含嘌呤堿基的功能性RNA序列。

研究人員從這個群體中分離出一種被稱作24-3的核酶變異體，它擁有17個突變。這種24-3聚合酶核酶使用了所有的四種堿基，能夠比初始的聚合酶核酶更快地發(fā)揮功能。它能夠復(fù)制多種具有復(fù)雜二級結(jié)構(gòu)的功能性RNA，包括適配體、其他的核酶和酵母tRNA。他們證實24-3也能夠在PCR（聚合酶鏈式反應(yīng)）技術(shù)的僅以RNA為模板的版本中呈系數(shù)級地擴增短的RNA模板。

來自英國醫(yī)學研究理事會分子生物學實驗室的Philipp Holliger（未參與這項研究）在發(fā)給《科學家》雜志的電子郵件中寫道，“它真地是非常不錯的研究，是實現(xiàn)RNA自我復(fù)制目標上的一項重大進展。”

然而，這種24-3聚合酶核酶不能夠自我復(fù)制。盡管酵母tRNA是高度結(jié)構(gòu)化的，而且也比早前的聚合酶核酶合成的產(chǎn)物大一些，但是這種24-3核酶要比酵母tRNA大3倍，甚至含有更加復(fù)雜的結(jié)構(gòu)元件。

Joyce、Horning和同事們在正在進行的體外進化實驗中努力克服這個限制。研究人員說，更加嚴格的篩選策略應(yīng)當促進這種核酶更加高效地制造更加大的、更加復(fù)雜的功能性產(chǎn)物。

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