RNA-moleculen zijn belangrijk voor veel biologische processen. Om te begrijpen hoe RNA-moleculen deze processen beïnvloeden, is kennis over hun structuur noodzakelijk. Die structuur bestaat uit stukjes dubbele helix, daar waar twee gedeeltes van het RNA-molecuul elkaar binden, en stukjes enkelstrengs RNA. Toch hebben onderzoekers slecht zicht op de structuur. Om de structuur van RNA-moleculen te bepalen brengen onderzoekers blind modificaties aan op de stukjes enkelstrengs RNA. Vervolgens lezen ze de sequentie van de RNA-moleculen af om te achterhalen waar de modificaties zitten. De onderzoekers kunnen dan aan de hand van de geobserveerde modificaties de meest passende structuur te bepalen. 

Langere moleculen  

Met de huidige methode, gebruikmakend van het Illumina platform, kunnen onderzoekers slechts 100 nucleotiden tegelijkertijd aflezen. Om de structuur van langere RNA-moleculen te bepalen, voegen onderzoekers de verkregen informatie van meerdere fragmenten samen. Zo zien ze volgens Yiliang Ding van het John Innes Centre, hoofdonderzoeker van de Nature-studie, ‘de structuur van RNA-moleculen als gemiddelden, zonder te weten of er sprake is van grote of kleine variatie’. 

Dings groep heeft nu een methode ontwikkeld die dit probleem verhelpt. Door gebruik te maken van het PacBio platform, kunnen de onderzoekers veel langere RNA-moleculen aflezen, van enkele duizenden baseparen. ‘Op deze manier kunnen ze in één keer van het gehele RNA-molecuul zien welke nucleotiden niet gepaard zijn aan een andere base’, zegt onderzoeker RNA-structuur bepaling Danny Incarnato van de Rijksuniversiteit Groningen, die niet bij het onderzoek betrokken was. ‘Hierdoor kunnen de onderzoekers de structuur voor elk individueel RNA-molecuul bepalen.’ 

Regulatie van de bloei  

Gebruikmakend van deze techniek analyseerden de onderzoekers samen met collega’s van de groep van Caroline Dean, ook van het John Innes Centre, de structuur van het RNA-molecuul COOLAIR in een warme en koude omgeving. COOLAIR is betrokken bij de regulatie van de bloei van een plant. De eerste resultaten waren verrassend, aldus Ding. ‘We verwachtten veel verandering als gevolg van een koude behandeling. Maar dit was niet het geval, we zagen veranderingen in de verhouding tussen bepaalde RNA-structuren. Dit is iets waar we echt verheugd over zijn.’  

Een van de veranderingen in de verhouding was de opkomst van een koude-specifieke structuur. En deze structuur, zo ontdekte de onderzoekers is noodzakelijk voor het uitschakelen van het bloei-onderdrukkende gen bij kou. Mutaties die alleen de koude-specifieke structuur veranderen lieten de plant eerder of later bloeien. 

Danny Incarnato is heel enthousiast over de dynamiek die RNA-structuren tentoonspreiden. ‘Het impliceert dat de structuur kan veranderen aan de hand van veranderingen uit de omgeving.’ De grotere resolutie waarmee de RNA-structuren nu zichtbaar zijn, zal zeker bijdragen aan een beter begrip van de manier waarop cellen processen zoals genexpressie reguleren.  

M.Yang, P. Zhu, et al., ’In vivo single-molecule analysis reveals COOLAIR RNA structural diversity’, Nature (2022) (open access)