Science Advances | 张强锋团队与合作者开发DeCoRE新方法解析RNA结构异质性

RNA分子并非以单一、固定的结构形式存在，而是在不同条件、不同生命过程形成由多种构象组成的动态结构集合。RNA结构的异质性和动态变化与基因表达调控及疾病发生发展密切相关。传统的利用化学探针探测RNA结构的方法仅能获得RNA的平均结构信息，难以解析同一RNA分子群体中不同结构构象及其动态转换过程。因此，发展能够在单分子和单碱基分辨率下解析RNA结构异质性的新方法，对于深入理解RNA结构及其功能具有重要意义。 

2026年10月2日，实验室张强锋团队与山东大学生命科学学院孙磊团队在《科学进展》（Science Advances）发表题为“DeCoRE：一种从直接RNA测序的RNA结构探测数据中解析RNA结构异质性的计算方法”（DeCoRE: A computational method to resolve RNA structural heterogeneity from RNA structure probing data by direct RNA sequencing）的研究论文，开发了用于解析RNA结构异质性的计算方法DeCoRE（deconvolving complex RNA structural ensembles）。该方法能够从单条纳米孔测序的RNA读段中识别不同结构状态，并进一步解析RNA结构异质性及其动态变化，为研究复杂RNA结构提供了新的技术手段。 

DeCoRE的核心创新在于充分挖掘纳米孔直接RNA测序中的“错配碱基（miscalled bases）”信息，并建立基于单条测序读段直接聚类的结构异质性解析策略。研究团队发现，基于RNA结构的化学小分子处理RNA后产生的错配碱基与RNA结构信息之间存在明显关联，而且错配碱基的发生频率显著高于测序随机突变，因此其中包含了此前未被充分利用的结构信息。基于这一发现，DeCoRE整合了结构修饰造成的纳米孔测序的波动信号（modified base）和突变信号（miscalled base）这两种结构信息，显著提升了RNA结构的信号密度（图1A），从而更有利于单分子RNA结构信号的降维和聚类。将具有不同结构特征的RNA分子直接分组，并分别计算各组的结构反应性评分，最终结合RNA二级结构预测获得不同RNA结构构象。 

图1. DeCoRE充分利用纳米孔直接RNA测序信息提高结构探测的准确度 

研究团队首先利用已知结构的RNA数据对DeCoRE进行了系统验证。在pri-miR-17~92a数据集中，结合波动信号和突变信号能够显著提高结构识别能力，最佳条件下AUC达到0.820 （图1B）；同时，与已有纳米孔RNA结构分析方法相比，DeCoRE在结构识别性能方面表现出优势，并在不同测序深度及不同碱基识别方法下保持较好的稳定性（图1C-D）。将该方法进一步应用于赖氨酸和TPP核糖开关时，DeCoRE均能够识别出具有不同结构特征的RNA亚群，并与之前发现的结构动态变化相吻合（图2）。最后，我们在SARS-CoV-2亚基因组RNA N中，利用该方法进一步揭示了RNA分子内部的结构异质性，尤其是在3′非翻译区发现了明显的结构差异。 

图2. DeCoRE解析了赖氨酸和TPP核糖开关的不同RNA结构构象 

研究团队进一步将DeCoRE应用于较长的16S rRNA转录中间体，探索RNA在转录过程中的结构变化。研究发现，随着RNA链不断延长，不同结构构象在早期阶段可以同时存在，并随着新生RNA链的延伸逐渐向成熟RNA的优势结构收敛。在16S rRNA的多个区域观察到了明显的结构转换，其中部分区域存在两个共存的结构亚群。研究结果提示，新生3′端核苷酸在转录延伸过程中的结构不稳定性，可能是驱动转录过程中RNA结构异质性及其逐渐收敛的重要因素，为理解RNA共转录折叠过程提供了新的研究视角。 

综上，DeCoRE充分利用纳米孔直接RNA测序（direct RNA sequencing，DRS）的长读长优势，通过增强RNA结构信号检测并直接对单条测序读段进行聚类，以单碱基分辨率解析了RNA中共存的不同RNA结构构象。研究不仅成功解析了赖氨酸核糖开关和TPP核糖开关中已知的不同构象，还进一步揭示了细菌16S rRNA在转录过程中的动态折叠路径，发现RNA早期转录阶段存在两种不同构象，并随着转录延伸逐渐趋于单一成熟构象。 

原文链接 https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aef0670