RNA：两股比一股硬

在自然界中不太常见的是双链RNA (dsRNA)，它有两条链，类似于众所周知的DNA双螺旋结构。它在一些病毒中被发现，但在过去的几十年里，人们一直在开发用于一系列目的的合成双链rna。

尽管我们越来越熟悉它的潜在应用，但研究人员对双链rna的一个关键特征，即双链rna是如何降解的知之甚少——一个特别重要的问题是，它最有前景的应用之一是在农业中作为一种杀虫剂。

圣路易斯华盛顿大学麦凯维工程学院能源、环境和化学工程助理教授Kimberly parker的实验室研究颠覆了人们对双链rna化学稳定性的普遍假设，这种假设可能会在从农业到医药的各个领域中被证明是有用的。该实验室的发现甚至可能对我们对生命起源的理解产生影响。研究结果发表在今年夏天的《环境科学与技术》(Environmental Science & Technology)杂志上。

帕克说:“从根本上说，我们正在挑战一个普遍存在的假设，即我们对ssRNA行为的了解可以预测dsRNA行为。”

帕克说:“人们普遍认为，RNA不如DNA稳定。”这是因为RNA结构中有一些额外的原子，导致核酸自身降解为更小的片段。

但这是ssRNA和DNA的比较。ssRNA和dsRNA的区别是什么?

帕克和第一作者、帕克实验室的博士生张珂着手研究双链rna的降解。研究小组发现，尽管双链rna与单链rna具有相同的基本结构，但它在化学上比单链rna更稳定。即使是在极恶劣的碱性pH条件下，ssRNA在几分钟内就会降解，但dsRNA仍然存在。

这是基础科学，但也有真实的后果。

尽管对dsRNA的分解过程知之甚少，但研究人员和环境保护署等机构都认为它的行为与ssRNA相同。环境保护署负责管理农药的使用。

近年来，双链rna已成为农药领域的研究热点。第一批含有dsRNA农药的转基因作物最早可能在2022年种植。

“当我们研究dsRNA农药的环境命运时，一个关键问题是，‘这些东西会一直存在，还是会迅速降解?”帕克说。

如果作用在双链rna上的化学过程导致其结构迅速分解，“它可以被认为是潜在的安全的，你不必太担心它，”帕克说。“但如果你需要更具体的条件来分解它，比如特定的酶，就会改变你对它的安全性和对环境的潜在风险的看法。”你不能仅仅依靠化学不稳定性来限制持久性。”

研究人员还研究了如何利用dsRNA惊人的化学稳定性。虽然双链rna在化学上是稳定的，但它仍然可以被环境中到处存在的酶降解，甚至可以被我们的身体降解。这使得储存双链rna农药和产品变得困难，也给准确测量双链rna水平带来了挑战，因为双链rna在样本收集后但在分析之前会降解。

为了研究双链RNA独特的化学稳定性是否可以用于稳定样品中的双链RNA，张博士研究了人类唾液和土壤中双链RNA和双链RNA的降解情况，其中每一种都有酶可以分解两种RNA。

“在每种情况下，这两种RNA都被人类唾液和土壤中的酶迅速降解，”张说。但当pH值提高到碱性时——这会破坏酶，“情况就不同了;我们观察到ssRNA也在碱性条件下迅速降解。然而，dsRNA实际上在较高的ph值下更稳定。”

这一发现表明，无论是用于杀虫剂、医疗还是研究，双链rna都应该储存在高pH值的环境中，以提供额外的保护。

帕克说:“假设你使用dsRNA。也许你打喷嚏?“你不会想要担心唾液污染你的样本。你可以提高双链rna样本的pH值，停止酶降解，但也可以避免化学降解过程。”

将这些知识付诸行动的潜力远远超出了杀虫剂的范畴。

有很多病毒的遗传信息是通过RNA而不是DNA携带的;有些使用dsRNA。她说:“我感兴趣的是，我们的工作如何让我们了解病毒在不同条件下是如何被杀死的。”或者从废水中提取的病毒双链rna是否可以在更高的pH值下更好地保存，以帮助跟踪和预测疾病的传播。

还有另一个领域，与其他领域有些不同，更好地理解双链rna可能是有用的:解开地球生命起源的奥秘。这只是一种猜测，但却引起了张的兴趣。

有一种长期存在的理论认为，地球上的生命开始于热液喷口，小分子聚集在一起形成RNA。然而，这个理论有一个致命的缺陷:这些喷口的条件应该是碱性的。

“一些科学家认为这是不可能的，因为RNA会在这样的条件下降解，”张说。“但我们发现，这只适用于ssRNA。如果我们考虑双链rna，在碱性pH下，它可以保持其化学稳定性。”

Journal Reference:

Ke Zhang, Joseph Hodge, Anamika Chatterjee, Tae Seok Moon, Kimberly M. parker. Duplex Structure of Double-Stranded RNA provides Stability against Hydrolysis Relative to Single-Stranded RNA. Environmental Science & Technology, 2021; 55 (12): 8045 DOI: 10.1021/acs.est.1c01255