子科生物報(bào)道：?RNA在溶液中除了存在自由能較低的高豐度的基態(tài)構(gòu)象（Ground States），往往還存在自由能較高的低豐度的激發(fā)態(tài)構(gòu)象（Excited States，也稱瞬態(tài)構(gòu)象）。多種構(gòu)象之間的切換在RNA與配體的識別，折疊和去折疊，RNA-蛋白復(fù)合物的組裝，以及酶催化等重要的生物學(xué)過程中多有涉及，并且跨越了從皮秒到秒甚至更慢的時(shí)間尺度。RNA的構(gòu)象切換經(jīng)常發(fā)生在堿基錯(cuò)配、頂環(huán)、內(nèi)環(huán)、凸環(huán)等比較動(dòng)態(tài)的區(qū)域及其附近，并且有相當(dāng)一部分是以堿基對重排的方式進(jìn)行。目前，RNA設(shè)計(jì)的相關(guān)研究只停留在基態(tài)結(jié)構(gòu)上，尚未涉及到設(shè)計(jì)具有瞬態(tài)構(gòu)象的RNA。此外，對于其構(gòu)象切換的具體細(xì)節(jié)及其熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)機(jī)制也了解得不夠清楚。

在該研究中，作者利用RNA二級結(jié)構(gòu)預(yù)測工具M(jìn)C-Fold，經(jīng)過一系列設(shè)計(jì)策略與篩選條件，得到了四類以不同方式進(jìn)行二級結(jié)構(gòu)自主切換的RNA。接著，研究者把NMR弛豫彌散實(shí)驗(yàn) (15N R1ρ 和 1HN CEST) 和該課題組最近開發(fā)的高精度RNA亞氨基化學(xué)位移預(yù)測工具結(jié)合起來，確認(rèn)了這些瞬態(tài)二級結(jié)構(gòu)的存在，并且測量了它們的豐度和切換速度。研究者進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，通過對loop區(qū)域的變動(dòng)可以有效地調(diào)節(jié)瞬態(tài)的豐度和切換速度。但出乎意料的是，把發(fā)生切換的莖區(qū)延長或者縮短一到兩個(gè)堿基對并未像預(yù)想的那樣減緩或者加快切換的速度。為了解決這一疑惑，研究者從設(shè)計(jì)出的RNA中選擇了8條，在不同溫度下進(jìn)行了弛豫彌散實(shí)驗(yàn)。對馳豫彌散結(jié)果的熱力學(xué)分析表明，這些RNA盡管莖區(qū)的序列和長度不同，但在發(fā)生二級結(jié)構(gòu)切換時(shí)所克服的能障大小均相當(dāng)于打開一對經(jīng)典堿基配對所須的自由能大小（13-16 kcal/mol）。因此，這些RNA的結(jié)構(gòu)切換很可能是通過多步完成的，而每一步最多只涉及一對堿基的打開。為了證實(shí)這一想法，研究者運(yùn)用加速分子動(dòng)力學(xué)模擬（accelerated molecular dynamics simulations, aMD）方法，針對三種不同切換類型的RNA來捕捉其構(gòu)象切換的細(xì)節(jié)，成功捕捉到了很多次的二級結(jié)構(gòu)切換事件。這些切換既可以自上而下，也可以自下而上地發(fā)生，并且均以舊堿基對逐次打開，新堿基對逐次形成的方式來實(shí)現(xiàn)。這樣的多步切換機(jī)制可以有效地降低能障，使得RNA的構(gòu)象轉(zhuǎn)變可以在一個(gè)合理的時(shí)間尺度內(nèi)完成，以順利發(fā)揮其生物學(xué)功能。這種通過多步反應(yīng)來降低構(gòu)象切換能障的策略在生物大分子中應(yīng)該普遍存在，而該工作通過NMR和分子動(dòng)力學(xué)模擬的結(jié)合在RNA二級結(jié)構(gòu)切換的體系中揭示了該策略的一種具體實(shí)現(xiàn)機(jī)制。該研究為RNA的理性設(shè)計(jì)提供了新的思路和手段。此外，對RNA瞬態(tài)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)測量也有助于將來改進(jìn)RNA二級結(jié)構(gòu)預(yù)測方法和改善其分子動(dòng)力學(xué)模擬的力場參數(shù)。

四類以不同模式自主切換的RNA，以及在第四個(gè)RNA上通過分子動(dòng)力學(xué)模擬捕捉到的一個(gè)切換事件

該研究工作于2022年3月21日在《自然?通訊》（Nature Communications）雜志在線發(fā)表，題為《RNA瞬態(tài)結(jié)構(gòu)的理性設(shè)計(jì)及其多步切換機(jī)制》（Rational Design of Hairpin RNA Excited States Reveals Multi-step Transitions），原文鏈接為https://www.nature.com/articles/s41467-022-29194-8。清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院薛毅研究員為論文通訊作者，生命學(xué)院已畢業(yè)的博士生韓鴿為論文第一作者。該研究得到了國家自然科學(xué)基金委、清華-北大生命科學(xué)聯(lián)合中心和北京市結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心的基金支持。核磁實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集在清華大學(xué)蛋白質(zhì)研究中心核磁平臺完成。