CN110609056B - 一种可获取高质量固体核磁共振谱图的rna固体样品制备方法及其结构检测方法 - Google Patents

一种可获取高质量固体核磁共振谱图的rna固体样品制备方法及其结构检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及基于核磁共振技术生物大分子结构检测技术领域，尤其涉及一种可获取高质量固体核磁共振谱图的RNA固体样品制备方法及其结构检测方法：将至少一种碱基由15N和13C进行标记的RNA样品在氘代缓冲液中升温退火，使其正确折叠；在上述RNA溶液中依次加入一价或者二价阳离子水溶液和2‑3倍体积预冷的氘代无水乙醇；将上述体系于低温静置过夜，离心弃去上清，用少量预冷氘代乙醇清洗底部沉淀；使用固体核磁共振波谱仪对沉淀样品进行检测；收集并分析检测图谱。本发明简单、快速、具有普适性，无需结晶及其他繁琐的操作步骤，即可以获得高分辨率的固体核磁谱图。

Description

一种可获取高质量固体核磁共振谱图的RNA固体样品制备方 法及其结构检测方法
技术领域
本发明涉及基于固体核磁共振技术生物大分子结构检测技术领域，尤其涉及一种可获取高质量固体核磁共振谱图的RNA固体样品制备方法及其结构检测方法。
背景技术
RNA是生物体必需的生物大分子，在生命活动的诸多过程中均发挥着至关重要的调控作用。然而，绝大多数RNA的功能未知，需要结构研究进一步阐释其精确的生理功能。RNA分子柔性大、负电荷多、结晶困难，限制了X-ray晶体衍射技术解析RNA结构。液体核磁共振技术可以在水溶液中研究RNA，无需结晶，但受到分子量的限制，不适合大分子量RNA的结构分析。因此发展新的RNA结构解析方法至关重要。
固体核磁共振技术是RNA结构研究的新技术，其特点是该技术可以研究不同形式的样品，包括，尺寸较小的微晶样品(Marchanka A,et al.Nature Communications,2015,6,7024.)、冻干粉末(Riedel K,et al.Journal of Biomolecular Nmr,2005,31，49-57.)等，并且有望研究非均相聚合态RNA，这类分子形成的聚合态，无法利用传统的结构生物学手段，如X-ray晶体衍射技术或液体核磁共振技术研究。
获取高分辨RNA固体核磁共振谱图是拓展固体核磁共振研究RNA应用范围的主要技术瓶颈，特别是缺少一种普适性的、能获取高质量RNA固体核磁共振谱图的RNA固体样品制备方法。目前常见的RNA样品制备方法是冻干和结晶，然而冻干样品的固体核磁共振谱图分辨率差、谱线很宽，无法获得高质量的固体核磁共振谱图。结晶RNA的固体核磁共振谱图质量较高，然而RNA普遍存在结晶困难，条件筛选极其繁琐复杂的问题，不具有普适性和实用性。因此，发展一种简单、普适、并可获得高质量固体核磁共振谱图的RNA样品制备方法，是固体核磁共振研究RNA的重要需求。
发明内容
基于上述现有技术中存在的问题与缺陷，本发明提供了一种可获取高质量固体核磁共振谱图的RNA固体样品制备方法及其结构检测方法，在稳定同位素标记的RNA溶液中加入乙醇与水的混合液，通过控制乙醇和水的比例，实现RNA的快速沉淀，离心收集获取适合于固体核磁共振研究的RNA固体样品；进一步使用固体核磁共振波谱仪对上述方法制备的RNA样品进行检测，最后收集并分析相关检测图谱。本发明所述制备方法操作简单、快速，所制备的RNA样品经固体核磁共振波谱仪检测获取的谱图分辨率高，并且突破了固体核磁方法研究对RNA结晶的需求，普适性强。
本发明的实现原理如下：
魔角旋转固体核磁实验的谱图分辨率主要受到两方面因素的影响，包括谱线均匀展宽(homogeneous broadening)和非均匀展宽(inhomogeneous broadening)。谱线均匀展宽主要来源于原子核之间的偶及耦合相互作用，与相互作用原子核的磁旋比成正比。提高魔角旋转的转速或利用同位素稀释的方法，可以有效降低谱线的均匀展宽。由于质子间的强偶极耦合是RNA固体核磁谱图1H谱线展宽的主要因素，利用2D部分取代1H原子，可以利用2D相对于1H较低的磁旋比(1H的磁旋比是2D的磁旋比的6.5倍)，降低未被取代1H原子的谱线线宽。
非均匀展宽现象与样品中待研究分子的结构均一性有关。水合层是RNA样品结构均一性的关键。在不破坏水合层的条件下，将RNA进行沉淀可以有效的保持沉淀中RNA分子结构的均一性。由于RNA带有大量的负电荷，在沉淀过程中，由于分子之间的静电排斥，不会发生聚集现象。
沉淀法回收核酸是一种应用于从生物体组织中提取核酸过程中的普适性手段。常见的核酸沉淀剂有乙醇、异丙醇、聚乙二醇(PEG)、精胺等，其中乙醇是首选的沉淀剂。乙醇沉淀是最常用的RNA沉淀的方法，其优点是1)它对于盐类沉淀较少，可以尽量避免盐类物质的干扰；2)乙醇沉淀通常会保持RNA的水合层；3)乙醇易挥发，沉淀完成后易除去，不影响后续实验；4)已有研究表明任何15nt以上的核酸都可在乙醇中沉淀出来，且乙醇与核酸不会发生任何化学反应，不会改变RNA的结构。因此本发明选用乙醇作为沉淀剂，通过调节乙醇和水的比例，获取RNA沉淀样品，并可获得高分辨固体核磁共振谱图，其谱图质量与结晶RNA样品相似，是一种普适性强、实用性强的RNA固体样品制备方法。该方法可以有效地拓宽基于固体核磁共振技术的RNA结构研究的适用范围。
参照图1，本发明是通过如下技术方案实现的：
一种可获取高质量固体核磁共振谱图的RNA固体样品制备方法，包括以下步骤：
(1)将至少一种碱基由15N和13C进行标记的RNA样品在氘代缓冲液中升温退火，使其正确折叠；
(2)在上述RNA溶液中依次加入一价或者二价阳离子水溶液和2-3倍体积预冷的氘代无水乙醇；
(3)将上述体系于低温静置过夜，离心弃去上清，用少量预冷氘代乙醇清洗底部沉淀，最终得到一种可获取高质量固体核磁共振谱图的RNA固体样品。
进一步地，步骤(1)中所述RNA样品可通过固相合成法、体外转录法或生物提取等方法制备获得，纯度需保证在90％以上，沉淀前，RNA溶液浓度至少为10ng/μL。
进一步地，步骤(2)中所述阳离子水溶液为一价或二价阳离子溶液，其加入量随阳离子种类的不同而不同，包括：氯化钠、氯化镁、醋酸钠、醋酸钾、醋酸氨或者氯化锂，其优选终浓度依次为：0.1-0.3mol/L、10mmol/L、0.3mol/L、0.3mol/L、2-2.5mol/L、0.8mol/L。
进一步地，步骤(3)中所述低温为-20℃-0℃。
进一步地，步骤(3)中所述离心条件为9600g转速下离心3-10min。
进一步地，步骤(3)中清洗底部沉淀所用乙醇的浓度为70％。
进一步地，步骤(1)-(3)全部所述氘代溶液中氘代比例一致，其范围为50％-95％，优选为75％。
上述制备方法所制备的RNA固体样品的结构检测方法，包括使用固体核磁共振波谱仪对该样品进行检测和检测图谱的收集与分析。
进一步地，上述检测图谱具高分辨率，包括；一维1H-15N CP谱图，一维1H-13C CP谱图，一维1H-31P CP谱图，二维1H-15N hNH谱图，二维1H-13C hCH谱图，二维13C-15N hNC谱图，二维1H-15N hCNH谱图，二维1H-15N hCN(PAR)NH谱图，二维15N-13C TEDOR谱图，二维13C-13C DARR谱图。。
本发明通过将RNA分子在75％重水中退火，使得RNA中部分-NH和-NH2上的氢原子置换成2D，实现部分2D取代，使得氢检测固体核磁共振谱图分辨率大幅度提高。随后，利用乙醇沉淀方法，获取RNA固体样品，进而获取高分辨固体核磁谱图。
相较于现有技术，本发明存在以下技术优势：
(1)本发明具有普适性，适用于所有的RNA样品，拓展了固体核磁共振技术在研究RNA方面的应用；
(2)本发明简单，快速，无需复杂的条件筛选和繁琐的操作步骤；
(3)本发明提供了一种新的制备适用于固体核磁共振研究的RNA固体样品的方法，无需结晶，但可以获得和结晶方法相似的高分辨率的固体核磁谱图。
附图说明
图1为本发明一实施例中一种可获取高质量固体核磁共振谱图的RNA固体样品制备方法的流程图；
图2A为本发明一实施例中选用的riboA71二级结构图；
图2B为本发明一实施例中选用的tRNA的二级结构图；
图3A为本发明一实施例中riboA71的一维1H-15N CP谱；
图3B为本发明一实施例中riboA71的一维1H-13C CP谱；
图3C为本发明一实施例中tRNA的一维1H-15N CP谱；
图3D为本发明一实施例中tRNA的一维1H-13C CP谱；
图4A为本发明一实施例中riboA71的二维1H-15N hNH谱；
图4B为本发明一实施例中tRNA的二维1H-15N hNH谱；
图4C为本发明一实施例中riboA71的二维13C-15N hNC谱图；
图4D为本发明一实施例中tRNA的二维13C-15N hNC谱图。
具体实施方式
以下将结合具体实施方式对本发明做进一步详细阐述，值得注意的是，下述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。
实施例1：
1.DNA模板的构建：
为了验证本发明的普适性，本实施例选取了两种大小不一、结构各异、功能不同的RNA进行实验，分别为：71nt的以腺嘌呤为配体的核糖开关RNA(记作riboA71，二级结构如图2A所示)和92nt的人源硒代半胱氨酸转运RNA(记作tRNA，二级结构如图2B所示)。
通过体外转录的方法得到上述两种RNA，根据不同的RNA序列设计相应的DNA模板。DNA模板由两条互补的DNA单链组成，分别为正向链(R链)和反向链(F链)组成。序列如下：
riboA71R链:
5’-GGGAAGATAATCAAGAGTTTAAGGCTCTTGGTAGAAACTCCCAAACC
ATATCATTAGGATTATATCTTCCCTATAGTGAGTCGTATTAA-3’
riboA71F链：
5’-TTAATACGACTCACTATAGGGAAGATATAATCCTAATGATATGGTTTGGG
AGTTTCTACCAAGAGCCTTAAACTCTTGATTATCTTCCC-3’
tRNA R链：
5’-TGGCGCCCGAAAGGTGGAATTGAACCACTCTGTCGCTAGACAGCTACA
GGTTTGAAGCCTGCACCCCAGACCACTGAGGATCATCCGGGCCCTATAGTGAGTCGTATTAA-3’
tRNA F链：
5’-TTAATACGACTCACTATAGGGCCCGGATGATCCTCAGTGGTCTGGGGTG
CAGGCTTCAAACCTGTAGCTGTCTAGCGACAGAGTGGTTCAATTCCACCTTTCGGGCGCCA-3’
两条引物链是从生工生物工程股份有限公司直接订购，分别经过离心、溶解配成100μM的引物溶液。然后将两条链与MgCl2溶液(MgCl2终浓度：3mM)混合，95℃升温退火5分钟，冰浴30分钟。最终DNA模板为25μM的双链模板。
2.体外转录反应
本实施例通过5mL转录体系制备RNA样品，具体方法如下：反应体系中依次加入13C,15N同位素标记的核糖核苷三磷酸(rNTPs)、Tris-HCl(pH7.0)、亚精胺、Triton X-100、二硫苏糖醇(DTT)、氯化镁(MgCl2)、DNA模板、T7RNA聚合酶，37℃水浴中孵育24小时以保证原料完全反应(两种RNA反应体系如表1所示)。转录反应完成后在70℃水浴中继续孵育30分钟，使T7RNA聚合酶失活。
表1两种RNA 5mL转录体系
Figure BDA0002106449090000081
Tris buffer*:400mM Tris/HCl(pH8.0),10mM Spermidine,0.1％Triton X-100
3.RNA纯化
转录反应完成后，通过聚丙烯酰胺凝胶电泳(PAGE)进行纯化，纯化前需通过乙醇沉淀的方法富集RNA样品。首先在RNA转录体系中加入约0.5mL的0.5M EDTA使沉淀溶解，再加入0.55mL 5M NaCl和18mL预冷的无水乙醇，使RNA沉淀出来。-20℃下过夜，然后在离心机中以16500g离心40分钟，弃去上清液，得到RNA沉淀。加入约1mL DEPC水溶解，再加入1mL变性溶液(95％去离子甲酰胺，2％0.5M EDTA和0.02％溴酚蓝)，混匀后95℃加热5分钟，0℃冷却，等待上样。
在聚丙烯酰胺凝胶电泳纯化RNA时，riboA71采用含7M尿素的12％变性PAGE胶，tRNA则采用含7M尿素的8％变性PAGE胶。制备尺寸为35×45×0.3cm3的PAGE胶，总体积约为480mL配方如表2所示。
表2 480mL PAGE胶配方
Figure BDA0002106449090000091
*1L TBE溶液组成：108g Tris-base，55g硼酸，5.4g Na2EDTA
PAGE胶配好后，将变性后的RNA溶液全部转移至PAGE胶孔中，在65W的恒定功率下进行高压电泳(电压约为700-900V)。电泳完成后，将目标条带切下，切碎后在泡胶buffer(20mM Tris-HCl,300mM sodium acetate,1mM EDTA,pH 7.4)中浸泡约12小时，收集泡胶液。
4.RNA的部分氘代和乙醇沉淀
将两种RNA分别溶解在75％D2O/25％H2O的缓冲溶液中(riboA71，10mM KH2PO4,30mM KCl,2mM MgCl2,50μM adenine,pH6.8；tRNA buffer:10mM Tris–HCl,10mM MgCl2,pH8.0)，浓缩至500μL，升温退火使其正确折叠。
向500μL RNA溶液(75％氘代)中加入50μL 2M NaCl溶液，再加入1-1.5mL预冷的无水乙醇(75％C2D6O/25％C2H6O，v/v)后，将整个体系放置在-20℃的洁净环境中过夜，以9600g离心5min后，弃去上清，用少量70％的预冷乙醇清洗底部沉淀，即可得到RNA沉淀。通过上述方法制备大约4mg 13C,15N同位素标记的RNA纯品，装进RNA转子中即可进行固体核磁实验。
5.固体核磁实验验证谱图分辨率
将乙醇沉淀法制备的13C,15N同位素标记的riboA71样品，tRNA样品分别置于1.9mm样品管中，利用600MHz Bruker Avance III固体核磁共振仪(魔角转速为40kHz)，依次采集一维13C、15N固体核磁谱图，二维1H-15N hNH、二维15N-13C hNC固体核磁谱图。
(1)一维13C固体核磁谱图
1H的π/2脉冲时间设为2.5μs,1H-13C极化接触时间为1.5ms，13C的连续锁场功率为60kHz，1H的锁场功率为100kHz。实验采样数为64，记录13C化学位移，同时采用TPPM序列对1H进行低功率去耦，去耦功率为10kHz,循环等待时间为2s。
(2)一维15N固体核磁谱图
1H的π/2脉冲时间设为2.5μs,1H-15N极化接触时间为2ms，15N的连续锁场功率为50kHz，1H的锁场功率为90kHz。实验采样数为1024，记录15N化学位移，同时采用TPPM序列对1H去耦，去耦功率为10kHz,循环等待时间为2s。
(3)二维1H-15N hNH固体核磁谱图
1H，15N的π/2脉冲时间分别为2.5μs,5.0μs,1H-15N和15N-1H极化接触时间分别为300μs和2ms，15N的连续锁场功率为50kHz，1H的锁场功率为90kHz。首先通过1H-15N CP实现低灵敏度15N核的化学位移记录，在此期间采用TPPM序列对1H去耦，去耦功率为10kHz。接着15N-1HCP将信号传回1H，利用MISSISIPPI序列压制水峰，采集1H信号的同时用WALTZ-16去耦序列对15N去耦。
(4)二维15N-13C hNC固体核磁谱图
在2D hNC谱中，直接维是13C，间接维是15N。1H,13C,15N的π/2脉冲时间分别为2.5μs,4.0μs,5.0μs.首先通过1H-15N CP实现低灵敏度15N核的化学位移记录，1H-15N极化接触时间为2ms，15N的连续锁场功率为50kHz，1H的锁场功率为90kHz，通过TPPM脉冲序列对1H去耦，去耦功率为10kHz。接着通过15N-13C CP将信号传给13C，15N-13C极化接触时间为4ms，15N的连续锁场功率为30kHz，13C的锁场功率为10kHz.
6.固体核磁结果
首先收集了两种RNA乙醇沉淀样品的1D15N、13C谱(参照图3A-3D)，从1D 15N固体核磁谱中可以看到，化学位移在70-110ppm处主要代表鸟嘌呤、腺嘌呤和胞嘧啶的-NH2的信号，140-170ppm处主要是鸟嘌呤和尿嘧啶的-NH信号，190-240ppm处则代表腺嘌呤的N1、N3、N7，鸟嘌呤的N7，胞嘧啶的N3等。在1D 13C谱中，60-100ppm处代表脱氧核糖上C的信号，100-180ppm代表碱基上C的信号。从图中可以观察到许多小的尖峰，说明谱图分辨率较好。
除一维谱外，本实施例还收集了两种RNA的2D 1H-15N hNH固体核磁谱图和2D 13C-15N hNC固体核磁谱图(参照图4A-4D)，均可以得到高分辨率的固体核磁谱图。如图4A和图4B所示，在图中可以观察到鸟嘌呤的N1和H1交叉峰以及尿嘧啶的N3和H3交叉峰。在尿嘧啶的N3和H3区域不仅观察到了沃森-克里克配对还观察到了非沃森-克里克配对信息。从2D13C-15N hNC相关谱中(图4C和图4D)可以观察到丰富的C原子-N原子相关信息，具体信息已用字母标出。
因此通过部分氘代结合乙醇沉淀的方法制备RNA样品，可以获得与结晶样品分辨率相同的固体核磁谱图，与以往的结晶方法相比避免了繁琐的结晶条件的筛选，与冻干方法相比谱图分辨率大幅度提高。该RNA样品的制备方法简单、快速、有较强的普适性，将有效地拓宽基于固体核磁共振技术的RNA结构研究的适用范围。
Figure IDA0002207012690000011
Figure IDA0002207012690000021

Claims (10)

1.一种可获取高质量固体核磁共振谱图的RNA固体样品制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将至少一种15N和13C标记碱基的RNA样品在氘代缓冲液中升温退火，使其正确折叠；
(2)在步骤(1)所得RNA溶液中依次加入一价或者二价阳离子水溶液和2-3倍体积预冷的氘代无水乙醇；
(3)将步骤(2)所得体系于低温静置过夜，离心弃去上清液，用预冷的氘代乙醇溶液清洗底部沉淀，得到所述可获取高质量固体核磁共振谱图的RNA固体样品。
2.如权利要求1所述制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述RNA样品由固相合成法、体外转录法或生物提取法制备获得。
3.如权利要求1所述制备方法，其特征在于，步骤(1)中固体RNA样品纯度大于90％，沉淀前，RNA样品浓度不小于10ng/μL。
4.如权利要求1所述制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述阳离子水溶液为一价或二价阳离子水溶液，包括：氯化钠、氯化镁、醋酸钠、醋酸钾、醋酸氨或者氯化锂水溶液。
5.如权利要求1所述制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述低温为-20℃-0℃。
6.如权利要求1所述制备方法，其特征在于，步骤(3)中离心条件为9600g转速下离心3-10min。
7.如权利要求1所述制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述氘代缓冲液，步骤(2)中所述氘代无水乙醇以及步骤(3)中所述氘代乙醇溶液氘代比例一致，氘代比例为50％-95％。
8.如权利要求7所述制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述氘代缓冲液，步骤(2)中所述氘代无水乙醇以及步骤(3)中所述氘代乙醇溶液氘代比例为75％。
9.如权利要求1-8任一所述制备方法所制备的RNA固体样品的结构检测方法，其特征在于，包括：使用固体核磁共振波谱仪对该样品进行检测和检测图谱的收集与分析。
10.如权利要求9所述检测方法，其特征在于，所述检测图谱包括：一维1H-15N CP谱图，一维1H-13C CP谱图，一维1H-31P CP谱图，二维1H-15N hNH谱图，二维1H-13C hCH谱图，二维13C-15N hNC谱图，二维1H-15N hCNH谱图，二维1H-15N hCN(PAR)NH谱图，二维15N-13C TEDOR谱图或者二维13C-13C DARR谱图。
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