Nature Communications:瞬时结构合理设计进展

来源：清华大学2022-04-05 10336038

RNA溶液中除了低自由能、高丰度的基态，还有高自由能、低丰度的激发态(也叫瞬态)。RNA和配体构象之间的转换

RNA溶液中除了低自由能、高丰度的基态，还有高自由能、低丰度的激发态(也叫瞬态)。多种构象的转换参与许多重要的生物学过程，如RNA和配体的识别、折叠和去折叠、RNA-蛋白质复合物的组装和酶催化，并且跨越从皮秒到秒甚至更慢的时间尺度。RNA的构象转换经常发生在碱基错配、顶环、内环、凸环等动态区域及其周围，相当一部分是碱基对重排。目前对RNA设计的研究仅停留在基态结构，尚未涉及到具有瞬时构象的RNA的设计。此外，其构象转换及其热力学和动力学机制的细节还不够清楚。

在本研究中，作者使用了预测RNA二级结构的工具MC-Fold，通过一系列的设计策略和筛选条件，获得了四种具有不同方式独立二级结构切换的RNA。然后，研究人员将核磁共振弛豫和弥散实验(15N R1和1HN CEST)与最近开发的RNA亚胺高精度化学位移预测工具相结合，证实了这些瞬态二级结构的存在，并测量了它们的丰度和转换速度。研究人员进一步发现，通过改变环区，可以有效地调整瞬时丰度和开关速度。但出乎意料的是，将转换的茎区延长或缩短一个或两个碱基对并没有如预期的那样减慢或加快转换。为了解开这个谜题，研究人员选取了8段设计好的RNA，在不同温度下进行了松弛和分散实验。弛豫和分散结果的热力学分析表明，虽然这些RNA的茎区序列和长度不同，但这些RNA在二级结构切换时克服的能量障碍相当于打开一对经典碱基对所需的自由能(13-16千卡/摩尔)。所以这些RNA的结构切换很可能是通过多步完成的，每一步最多只涉及一对碱基的开放。为了证实这一想法，研究人员使用加速分子动力学模拟(AMD)的方法来捕捉三种不同类型RNA的构象转换细节，并成功捕捉到许多二级结构转换事件。这些切换可以自上而下发生，也可以自下而上发生，都是通过一个个打开旧的碱基对，一个个形成新的碱基对来实现的。这种多步切换机制可以有效降低能量屏障，使RNA的构象转变在合理的时间尺度内完成，从而顺利发挥其生物学功能。这种通过多步反应降低构象转换势垒的策略在生物大分子中应该是普遍存在的，本工作通过核磁共振和分子动力学模拟的结合，揭示了这种策略在RNA二级结构转换系统中的具体实现机制。该研究为RNA的合理设计提供了新的思路和手段。此外，RNA瞬态结构的动力学和热力学测量有助于改进RNA二级结构的预测方法和分子动力学模拟的力场参数。

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