RNA 在細胞中扮演許多的角色，不僅是作為 DNA 表現成蛋白質之間的橋樑，其中具有酵素活性的 RNA ，又稱為核酶（ribozyme），更能夠催化反應的進行。在 RNA 世界假說中，最初細胞起源時，RNA 可同時作為細胞的遺傳物質及酵素，催化自身的複製，形成了早期的生命 [1]。/images/image9.png)
由於 RNA 相當容易分解，能夠包覆物質的脂質膜成為 RNA 假説中的重要角色。脂質同時具有疏水性與親水性，在溶液中會自發地聚集形成雙層膜，成為適合核酶反應的場所。當脂質膜包圍 RNA，能保護生化反應的進行、聚集受質以增加反應濃度，也能產生特殊的化學與電性環境，這些因素都成為調控核酶活性的機制。本篇文章也會提及，脂質膜除了作為細胞與外界的分隔，同時也是 RNA 和其他物質反應進行的場所。
圖一、RNA 世界假說中，由RNA 與脂質構成最原始的細胞。
圖片來源：https://doi.org/10.1042/ETLS20190024
根據過去的研究，Vlassov 等人透過選擇具有內在的鹼基配對，或是多聚體構造的 RNA，促進 RNA 與脂質的交互作用，進一步影響脂質膜對於陽離子通透性，改變膜電位和脂質膜內的生化環境 [3]。
另外，細胞膜上特殊的結構脂筏（lipid rafts），是由膽固醇和磷脂（sphingolipid）構成數百奈米大小的奈米域（nanodomains）。脂筏除了是蛋白質酵素反應的重要場域，也因為具有更加整齊排列的脂質，形成比凝膠相（gel-phase）脂質更穩固的結構，所以增強了與 RNA 結合的親和力。亦有研究指出，脂筏和 RNA 的交互作用幫助癌細胞將微小 RNA（microRNA, miRNA），選擇性包裹進入脂外泌體exosome），影響免疫細胞的功能 [4]。這些研究都闡述了 RNA 與脂質膜互相影響的重要性。
圖二、癌細胞透過脂筏和 RNA 的交互作用，幫助 miRNA 經由外泌體運輸至免疫系統，分別活化、分化、抑制不同免疫細胞，藉此躲過針對癌細胞的免疫攻擊。
圖片來源： https://doi.org/10.3390/ijms21228503
自的 Tomasz Czerniak 與 James P. Saenz 團隊，以 可連結接合兩段 RNA 的 R3C 連接酶核酶（R3C ligase ribozyme, 簡稱 R3C）作為模型，發現 RNA 與脂質膜的結合，能夠增加膜上局部 RNA 受質濃度， 進而影響 R3C 的酵素活性。
脂質膜和 RNA 的結合能力，與脂質本身的排列相關，而溫度正是改變脂質的相態的重要因素。在低溫時脂質膜會呈現斑塊聚集的凝膠相，而隨著溫度的上升，脂質的流動性逐漸增加，轉變為均勻分布的流體膜（fluid membranes）。
團隊透過特殊的螢光標記，以顯微鏡觀察 RNA 和脂質的結合隨著溫度的變化，發現在 RNA 傾向於和低溫凝膠相的脂質膜的結合。而電荷之間的交互作用，又更進步使有 RNA 結合的細胞膜聚集在一起，形成局部高濃度 RNA 的環境 。藉由溫度調控的機制，說明了脂質膜能夠經由 RNA – 脂質的交互作用，調控 RNA 聚集與分散的程度，成為間接影響核酶活性的因素。
接著團隊想要探討的問題在於 R3C、受質與脂質膜三者的關聯性。作者原先認為 RNA 與脂質膜的 gel phase 結合並無選擇性，然而他們意外的發現同為 RNA 的 R3C 與受質，與脂質結合的強度有顯著的差異。因此他們開始探討什麼樣的差異導致 RNA 與脂質膜的結合如此不同。
因此團隊針對 RNA 的序列及結構，設計了一連串相關的實驗。從特核酸鹼基序列（AUCG）增強與剔除的 RNA 片段，發現鳥嘌呤（guanine）對於 RNA─脂質結合具有顯著的影響。而從結構來看，具有鹼基配對的雙股的 RNA 又比單股 RNA 具有更強的結合力。其中又以 G-四連體（G-quadruplex, RG4）具有最強的 RNA─脂質交互作用 [5]。
圖三、實驗證實鳥嘌呤 (Guanine) 對於RNA – 脂質結合具有顯著的影響。 (A) 增加特定基。 (B) 剔除特定鹼。 (C) 鳥嘌呤含量增加可以增進RNA─脂質結合，超過四個鳥嘌呤以後則趨於平穩。
圖片來源：https://doi.org/10.1073/pnas.2119235119
圖四、實驗證實 RNA 雙股結構和 G-四連體（G-quadruplex, RG4）對於 RNA─脂質結合具有顯著的影響。(A) 比較單股及雙股 RNA 對脂質囊泡聚集（左）和脂質膜結合（右）的影響 。(B) 單股及雙股 RNA 對於 RNA─脂質結合的曲線。 (C) RG4 脂質結合的能力最強。
圖來源https://doi.org/10.1073/pnas.2119235119
根據上述的結果，團隊增加受質的腺嘌呤-鳥嘌呤重複（A-G repeats），發現具有 A-G 延長的受質，雖然能夠增強 RNA─脂質的結合，但卻因為修飾序列的折疊結構，反而導致 R3C 的反應活性下降。為了增強酵素的活性，團隊另外設計與 A-G 互補的序列與修飾端結合，成功逆轉了 R3C 的酵素活性。
圖五、受質增加腺嘌呤-鳥嘌呤重複（A-G repeats）對於 R3C 活性的影響。(A) 增加受質的腺嘌呤-鳥嘌呤重複（A-G repeats）示意圖。(B) 透過電泳分析修飾後的受質會自行摺疊。 (C) 延長 A-G 的受質增強和脂質的結合力。(D) 延長 A-G 的受質增進 R3C 的酵素活性。(E) 與 A-G 修飾段互補的序列。(F) 脂質膜可以增強 R3C 與受質的結合，並且降低修飾端的干擾。
圖片來源：https://doi.org/10.1073/pnas.2119235119
此團隊發現透過修飾 RNA 序列及結構，能進而調控 RNA─脂質複合體的結合強度，影響核酶的反應活性。這個研究結果對於未來 RNA 小分子藥物的研發，調控其在細胞內的活性具有重要的影響。另外，理解 RNA─脂質的交互作用，也能夠幫助科學界猜想原始生命中，單靠 RNA 和脂質是如何構成具有生理功能的細胞。
Main Article:
Czerniak, T., & Saenz, J. P. (2022). Lipid membranes modulate the activity of RNA through sequence-dependent interactions. Proceedings of the National Academy of Sciences, 119(4). doi:10.1073/pnas.2119235119
參考文獻：
[1] Gilbert, W. (1986). Origin of life: The RNA world. nature, 319(6055), 618-618.
[2] Le Vay, K., & Mutschler, H. (2019). The difficult case of an RNA-only origin of life. Emerging Topics in Life Sciences, 3(5), 469-475.
[3] Vlassov, A., Khvorova, A., & Yarus, M. (2001). Binding and disruption of phospholipid bilayers by supramolecular RNA complexes. Proceedings of the National Academy of Sciences , 98 (14), 7706-7711.
[4] Janas, T., Janas, P., Sapoń, K., & Janas, T. (2020). Binding of RNA aptamers to membrane lipid rafts: Implications for exosomal miRNAs transfer from cancer to immune cells. International journal of molecular sciences, 21(22), 8503.
[5] Wolfe, A. L., Singh, K., Zhong, Y., Drewe, P., Rajasekhar, V. K., Sanghvi, V. R., … & Wendel, H. G. (2014). RNA G-quadruplexes cause eIF4A-dependent oncogene translation in cancer. Nature , 513 (7516), 65-70.
撰文｜高佳煜
審稿｜李柏萬
