使用原子力场和广义Born隐式溶剂对RNA茎环折叠进行的分子动力学模拟

《ACS Omega》：Molecular Dynamics Simulations of RNA Stem-Loop Folding Using an Atomistic Force Field and a Generalized Born Implicit Solvent

准确建模RNA茎环结构动力学仍具挑战。本研究采用DESRES-RNA力场与GB-neck2隐式溶剂模型，对26种茎环结构（含8种含bulge/内环的类II结构）进行常规分子动力学模拟，发现18类I茎环均能稳定折叠（茎区RMSD<2?，分子RMSD<5?），而类II中5个成功折叠，其余因环区结构建模不准确未能完成。对比显式溶剂模型（TIP4P-D）显示，隐式模型在环区氢键和构象精度上存在显著缺陷，导致RMSD升高。研究证实DESRES-RNA力场在茎区折叠建模中表现优异，但需优化隐式溶剂参数及引入二价离子相互作用以提升环区建模精度，为RNA动态研究奠定基础。

　　RNA是生命系统中至关重要的分子之一，其结构和动态特性在维持、调控和处理遗传信息方面发挥着关键作用。RNA分子能够形成多种二级结构，如茎、发夹环、内部环、突环以及假结等，这些结构由经典的沃森-克里克碱基配对（A-U和G-C）以及非经典的摆动碱基配对（如G-U）组成。这些结构的形成不仅影响RNA的稳定性和功能，还决定了其与蛋白质、其他核酸或小分子配体的相互作用。因此，对RNA结构动态的准确建模对于理解其生物功能以及开发RNA为基础的药物具有重要意义。

当前，RNA结构预测和模拟面临诸多挑战，尤其是在模拟其动态行为时。RNA的折叠和解折叠过程涉及复杂的能量景观，这使得即使使用高精度的分子力学力场和先进的采样技术，其折叠路径和构象变化也难以准确再现。尽管近年来在RNA力场的优化方面取得了显著进展，例如DESRES-RNA力场的引入，结合了量子力学计算和实验数据，用于更精确地模拟碱基堆叠、配对和关键的扭转构象，但这些力场在处理非经典碱基配对和复杂结构时仍存在不足。此外，隐式溶剂模型虽然能显著提高模拟效率，但其在模拟RNA结构时，尤其是发夹环和突环等非双螺旋区域，往往无法达到足够的精度。

为了评估这些挑战，本研究采用了一种全新的分子动力学（MD）模拟方法，对26种RNA茎环结构进行了建模，这些结构长度从10到36个核苷酸不等，其中包括没有突环或内部环的“类I”茎环结构，以及含有突环或内部环的“类II”茎环结构。所有模拟均从伸展构象开始，并使用了DESRES-RNA力场和GB-neck2隐式溶剂模型进行计算。研究结果显示，在23种RNA分子中，能够成功折叠到其原生结构，且茎区的均方根偏差（RMSD）值低于2 ?，整体结构的RMSD值也低于4 ?。然而，对于所有模型的环区，RMSD值普遍在4 ?左右，这表明在隐式溶剂模型下，环区的建模仍然存在困难。

尽管如此，本研究的结果表明，使用DESRES-RNA力场与GB-neck2隐式溶剂模型的组合，已经在模拟RNA茎区的折叠方面取得了重要进展。这种组合能够有效再现多种RNA结构的折叠行为，如具有不同拓扑结构的蛋白质折叠，以及RNA发夹环的形成。然而，对于环区的建模，特别是那些由非经典碱基配对（如G-U摆动配对）和复杂结构（如突环和内部环）构成的区域，仍需进一步优化力场参数，以提高模拟的准确性。

研究还对环区的结构进行了详细分析，发现其建模精度受到多种因素的影响。例如，在模拟中，环区的氢键相互作用往往被破坏，导致其构象与实验结果存在较大偏差。这可能是由于隐式溶剂模型未能准确模拟水分子与环区之间的相互作用，从而影响了环区的稳定性。此外，研究还发现，某些RNA分子在折叠过程中形成了非原生的碱基配对，这可能与力场参数的不足有关。为了改善这一问题，研究建议在未来的模拟中，需要对力场参数进行更广泛的调整，特别是增加对非经典碱基配对和单链RNA结构的考虑。

此外，研究还探讨了单链RNA rU40在不同离子浓度下的灵活性。结果表明，使用隐式溶剂模型时，rU40的FRET平均端到端距离（?R_FRET?）显著高于实验值，这表明隐式溶剂模型在模拟RNA灵活性方面存在偏差。而使用显式溶剂模型时，rU40的灵活性更接近实验观测结果，这进一步强调了隐式溶剂模型在模拟环区结构时的局限性。因此，为了提高RNA结构模拟的准确性，未来的研究需要更加关注溶剂模型的优化，尤其是在处理单链RNA的构象变化时。

同时，研究还指出，RNA与二价阳离子（如Mg2?）的相互作用对于其结构稳定性至关重要。Mg2?离子能够显著增强RNA的刚性，即使在相同的离子强度下，其影响也远大于单价离子。因此，在未来的MD模拟中，考虑二价阳离子的影响是提高RNA结构模拟精度的重要方向。然而，目前的隐式溶剂模型主要依赖于平均场近似来处理单价离子，而对二价离子的模拟仍存在困难。因此，采用混合显式离子与隐式溶剂模型的策略，可能有助于更准确地模拟RNA与二价离子的相互作用。

总体而言，本研究为RNA结构模拟提供了一个重要的参考框架，展示了使用DESRES-RNA力场和GB-neck2隐式溶剂模型在模拟RNA茎区折叠方面的潜力。尽管在环区建模上仍存在挑战，但这些结果表明，通过进一步优化力场参数和溶剂模型，可以显著提高RNA结构模拟的准确性。未来的研究可以借鉴这些经验，开发更适用于复杂RNA结构模拟的力场和溶剂模型，从而推动RNA生物学和RNA药物研发的进一步发展。