核糖体RNA折叠/解折叠行为及其作用机理的单分子力学研究

Ribosome RNA (rRNA), which is one of the most important biomacromolecules in the organisms, plays a key role in the protein synthesis process. To accomplish these biological functions, rRNA must be folded into a stable high-level structure spontaneously. Therefore, it is very important that investigate the mechanical properties of rRNA in folding/unfolding process under physiological condition. Although previous studies propose a series of excellent results, very few data have been published on investigation of the mechanical properties of rRNA at its folding/unfolding process. In this project, the mechanical properties of two kinds of natural rRNA (5S rRNA and 16S rRNA) will be studied by single-molecule AFM to investigate the process of the force induced folding/unfolding of rRNA, the action mechanism between ribosome RNA and ribosomal protein (RPL5, P34), and the effect of micro-environment (e.g., temperature, solvent polarity and etc) on the structure of rRNA. It is anticipated that the investigation of the single-chain mechanical properties of the rRNA and its mechanism is helpful for the study of the folding/unfolding behaviours of rRNA at the single-chain level. Also, it will be benefit the design and synthesis of RNA nanomachine, and the prevention and treatment of diseases.

核糖体RNA (rRNA)是生物体内非常重要的一类RNA，对体内蛋白质的合成起着决定性作用，其功能的实现与自身能折叠成为稳定的高级结构密不可分。因此，研究rRNA的折叠/解折叠行为及其作用机理具有非常重要的科学意义。虽然前人已经取得了一些优异的研究成果，但是从单分子层面对rRNA折叠/解折叠行为及其作用机理的研究还鲜见报道。本项目拟利用单分子力谱技术研究结构较为简单的两种天然rRNA (5S rRNA, 16S rRNA)在折叠/解折叠过程中的微观力学行为及其与核糖结合蛋白（RPL5, P34）之间的相互作用机理，探索其在微小力诱导下的折叠/解折叠行为、rRNA与核糖结合蛋白之间的相互作用机理、以及温度和极性等外界条件对rRNA微观结构的影响。期望通过深入系统的研究，总结基本物理化学规律，从单分子层面为RNA折叠/解折叠行为及其作用机理研究提供新的依据和补充。

本文利用基于原子力显微镜的单分子力谱技术，以非互补链（poly(dA)-poly(dC)）为对照组，研究了A-T核苷酸之间的相互作用。发现A-T解链力曲线中存在一个约为2.3 pN平台，其范围为15–20 nm，而A和C之间的力信号则接近设备噪声，这意味着解链后A-T核苷酸之间仍存在微弱的相互作用。同时使用单分子力谱方法对C-G碱基对进行了探究，以非互补链poly(dC)-poly(dT)为对照组。得到与A-T实验一致的结论：即在互补C-G核苷酸之间同样存在弱的长程相互作用（3.5 pN， 20–25 nm）。以上结果表明，在水环境中，互补碱基对之间确实存在范围为15-25 nm的长程相互作用，而这一距离已经远大于氢键、电荷引力等弱相互作用力的作用范围。考虑到水做为生物体赖以生存的重要环境，在整个生命的新陈代谢过程中起着不可或缺的作用。因此，我们认为互补碱基对之间的这种长程相互作用必然有水的参与。因此，本文结合拉曼光谱和理论计算，通过对互补碱基对之间的有序水含量的表征和水分子链中分子排列的分析，发现水分子以螺旋状的方式进行组装，并在互补碱基之间形成螺旋水链结构。我们推测，这种累似分子弹簧的弱张力可以作为DNA杂交过程中远距离识别的驱动力，使得DNA杂交过程的速率和效率都得到了极大的提升。