近日，科學家們獲得了兩個結(jié)合在一起的RNA分子的結(jié)晶結(jié)構(gòu)圖譜，這一科研結(jié)果不僅能夠幫助科研人員了解這些調(diào)控核糖開關（riboswitch）是如何對mRNA的表達進行調(diào)控的，也可以進一步豐富我們對RNA結(jié)構(gòu)以及組織類型的理解和認識。

近三十年里，關于RNA在細胞生理進程中所起到的作用，我們有了爆炸式的認識。比如有一大類調(diào)控RNA——我們將其稱作核糖開關（riboswitch），通過對這些分子的結(jié)構(gòu)的研究，可以了解這些核糖開關能夠通過與特異性配體（ligands）的識別、及結(jié)合的方式，對其下游信使RNA的轉(zhuǎn)錄，或者翻譯過程進行調(diào)控。最近，Zhang和Ferré-DAmaré等人又發(fā)現(xiàn)了一個新的分子結(jié)構(gòu)，這是一種細菌核糖開關的分子結(jié)構(gòu)，是T-box核糖開關與tRNA分子結(jié)合而成的復合物的分子結(jié)構(gòu)。Zhang等人的研究成果向世人展示了一種RNA分子是如何識別另外一個與其大小差不多的RNA分子，然后又通過一種非常簡單的開關機制，對自身的轉(zhuǎn)錄進行調(diào)控這一整個過程。

為了合成蛋白質(zhì)，細胞必須對各種tRNA進行調(diào)控，這些tRNA能夠與對應的氨基酸殘基共價結(jié)合，將其運送至蛋白質(zhì)鏈上的相應位置。氨酰-tRNA合酶（aminoacyl-tRNA synthetases）就是負責讓tRNA與對應的氨基酸殘基共價結(jié)合的酶。在革蘭氏陽性菌中，有一種叫做T-box的核糖開關，該分子位于每一種氨酰-tRNA合酶mRNA編碼序列的上游，起到負向調(diào)節(jié)該合酶編碼mRNA分子合成的作用。

在這種T-box RNA分子里，至少含有兩種獨立的折疊結(jié)構(gòu)域（folded domain），其中一種是起到感知作用的適體結(jié)構(gòu)域（aptamer domain），該結(jié)構(gòu)域能夠形成一種長莖結(jié)構(gòu)，與特定的tRNA分子結(jié)合，我們將其稱作stem I結(jié)構(gòu)域；另外一種結(jié)構(gòu)域則是在兩種不同的構(gòu)象間進行轉(zhuǎn)換，起到真正的分子開關的作用，該結(jié)構(gòu)域的開關取決于所結(jié)合的tRNA分子是否連接了氨基酸殘基。如圖1a所示，如果tRNA分子上連接了氨基酸殘基，那么氨酰-tRNA合酶編碼mRNA的轉(zhuǎn)錄過程就會終止，如果tRNA分子上沒有連接氨基酸殘基，那么T-box分子開關就會穩(wěn)定在抗轉(zhuǎn)錄終止的構(gòu)象（antiterminator conformation）上，促進氨酰-tRNA合酶編碼mRNA的轉(zhuǎn)錄，以及后續(xù)蛋白質(zhì)的合成作用，如圖1b所示。

stem I結(jié)構(gòu)域是一種雙螺旋（double-helical）的RNA結(jié)構(gòu)域，大約有100個核苷酸那么長，上面遍布了多個結(jié)構(gòu)非常保守的基序（motif）。之前的研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，這些基序中絕大部分都與tRNA的識別和結(jié)合作用相關，不過原子層面（atomic-level）的詳細作用機制還不清楚。Zhang和Ferré-DAmaré他們的工作首次觀測到了T-box分子中的stem I結(jié)構(gòu)域，與未結(jié)合氨基酸殘基的甘氨酰tRNA分子組成的復合體的晶體結(jié)構(gòu)，讓我們有機會了解核糖開關與tRNA分子結(jié)合的具體細節(jié)。這個復合體的晶體結(jié)構(gòu)圖還能夠解釋stem I基序的精細作用，提供與其協(xié)同作用相關的具體信息，也能夠幫助科學家們了解這種基序的結(jié)構(gòu)為什么會高度保守。

stem I結(jié)構(gòu)主要識別的似乎是tRNA分子上的兩個位點，分別是反密碼子環(huán)（anticodon loop）和T、D環(huán)（T- and D-loops）。而且stem I結(jié)構(gòu)還會進行折疊，適應tRNA的形狀，以便讓stem I結(jié)構(gòu)域的兩端分別與反密碼子環(huán)和T、D環(huán)接觸并結(jié)合。

其實科學家們根據(jù)生物信息學（bioinformatics）數(shù)據(jù)、生物化學數(shù)據(jù)，以及結(jié)構(gòu)學的數(shù)據(jù)已經(jīng)預測出了tRNA的T、D環(huán)能夠與T-box的stem I結(jié)構(gòu)域結(jié)合。比如前不久有一個晶體結(jié)構(gòu)研究工作就得到了這種T-box和tRNA復合體中stem I結(jié)構(gòu)域末端片段的結(jié)構(gòu)圖，從圖中就可以看出，該片段呈現(xiàn)出兩個環(huán)互相交錯在一起的結(jié)構(gòu)（interleaved loop），這種結(jié)構(gòu)與核酶RNase P與另外一種組成核酶的RNA組份形成的復合體（這兩種較大的RNA分子也能夠識別tRNA）的結(jié)構(gòu)非常相似。在這種核酶復合體中，交錯環(huán)結(jié)構(gòu)就參與了tRNA分子的識別與結(jié)合作用，主要的結(jié)合機制就是讓RNA復合體中一個平面上的堿基堆積到tRNA分子中在進化上高度保守的未疊加堿基上。

Zhang和Ferré-DAmaré等人近日得到了T-box核糖開關上的stem I結(jié)構(gòu)域與未結(jié)合氨基酸殘基的tRNA組成的RNA復合體的晶體結(jié)構(gòu)圖。從圖中可以看出，stem I結(jié)構(gòu)域在雙核苷酸突起（dinucleotide bulge）和K轉(zhuǎn)折（K-turn）這兩個位置折疊，分別與tRNA分子的反密碼子環(huán)和T、D環(huán)結(jié)合。a，tRNA分子上結(jié)合的氨基酸殘基能夠阻止T-box分子上stem I結(jié)構(gòu)域下游的基序與tRNA的受體末端（acceptor end）結(jié)合，促進終止環(huán)（terminator loop）的形成，阻止T-box分子下游的mRNA的轉(zhuǎn)錄。b，在未結(jié)合氨基酸殘基的tRNA分子中，游離的受體末端能夠直接與T-box序列發(fā)生相互作用，促進抗終止環(huán)（antitermination loop）的形成，使得mRNA繼續(xù)大量轉(zhuǎn)錄，并翻譯成相應的蛋白質(zhì)。

Zhang和Ferré-DAmaré得到的晶體結(jié)構(gòu)圖驗證了這種猜想，同時也證明了這種交錯環(huán)結(jié)構(gòu)能夠識別tRNA分子中保守的肘狀結(jié)構(gòu)（elbow），而且采用的方式也和之前觀察到的差不多。這個結(jié)構(gòu)圖還讓科學家們得到了一個驚人的發(fā)現(xiàn)，即甘氨酰tRNA上的反密碼子三聯(lián)序列與stem I結(jié)構(gòu)域的相互作用幾乎與反密碼子環(huán)與核糖體上的mRNA之間的相互作用是一模一樣的。

Zhang等人的工作還進一步揭示了一種非常精妙的相互誘導契合機制（mutually induced fit mechanism），T-box核糖開關使用的就是這種機制，所以能讓T-box與tRNA分子的構(gòu)象互相適應，貼合得更加牢固。由于tRNA分子的可塑性較高、彈性非常大，所以這一次得到的復合體晶體結(jié)構(gòu)圖也非常漂亮，清晰的展現(xiàn)了stem I結(jié)構(gòu)域是如何彎曲、折疊，以適應tRNA兩個鉸鏈區(qū)（hinge region）的分子結(jié)構(gòu)，與其完美地貼合在一起。這兩個鉸鏈區(qū)都是高度保守的結(jié)構(gòu)域，其中一個是雙核苷酸突起（dinucleotide bulge）基序，另外一個是K轉(zhuǎn)折（K-turn）基序，如圖1所示。從這個結(jié)構(gòu)圖中也可以了解到，為什么這兩個鉸鏈區(qū)發(fā)生突變之后就會影響到stem I結(jié)構(gòu)域?qū)?SPAN lang=EN-US>tRNA的結(jié)合與調(diào)控作用。

由此可見，Zhang和Ferré-DAmaré的工作對于幫助我們從原子層面上去認識T-box核糖開關的作用機制起到了多么大的作用。它揭示了一種小分子RNA是如何“盡其所能”的與tRNA發(fā)生相互作用，與其結(jié)合在一起的。不過T-box核糖開關是如何識別tRNA是否已結(jié)合氨基酸殘基，并改變其構(gòu)象與之結(jié)合，發(fā)揮調(diào)控功能，這些作用機制現(xiàn)在還不清楚，但是Zhang等人的這項工作能夠幫助我們更接近事情的真相。

這個晶體結(jié)構(gòu)信息還提供了很多其它非常有價值、也非常有意思的信息，比如RNA間相互識別的信息、RNA結(jié)構(gòu)以及組織類型的信息等。雖然目前有關大RNA分子的結(jié)構(gòu)信息還比較少，但是從現(xiàn)有的資料中也能夠發(fā)現(xiàn)RNA識別機制中的一些共性。從目前掌握的資料來看，對tRNA分子的識別至少會涉及RNA分子的兩個末端區(qū)域。RNA分子的可塑性對于分子間的識別和結(jié)合起到了至關重要的決定性作用，能夠讓RNA分子間的相互作用最大化，使兩個RNA分子的構(gòu)象調(diào)整到充分契合的狀態(tài)。另外，被反復使用的那幾個結(jié)構(gòu)基序，比如stem I結(jié)構(gòu)域中的那幾個基序，似乎也具有非常重要的作用。

T-box stem I-tRNA復合體的晶體結(jié)構(gòu)圖是一個很好的例證，證明了RNA分子在構(gòu)象方面的可塑性（conformational versatility），RNA分子通過改變構(gòu)象可以展現(xiàn)出各種不同的功能。隨著我們對RNA結(jié)構(gòu)與功能的認識不斷深入，我們也逐漸認識到了RNA分子的其它功能，而在以前，我們都會認為這些功能都是蛋白質(zhì)特有的。所以在將來的某一天，完全有可能用RNA來代替蛋白質(zhì)，行使各種功能。我們希望在未來的生物學研究中能夠發(fā)現(xiàn)更多的RNA功能。