ARTEM 2.0：基于骨架重排的RNA/DNA三级基序识别新方法及其在核酸结构研究中的突破性应用

研究人员开发了ARTEM 2.0算法，突破传统方法在序列、相互作用和骨架拓扑上的限制，实现了RNA/DNA三级基序的无约束搜索。该工具成功识别出kink-turn等核酸结构基序的新拓扑变体，为解析非编码RNA功能与疾病相关突变提供了全新研究范式，相关成果发表于《Genome Biology》。

　　

在生命科学领域，RNA分子的三维结构犹如一本加密的功能手册，其中反复出现的结构模块——三级基序（tertiary motifs）就是解读密码的关键词。长久以来，科学家们发现这些基序就像分子乐高积木，通过不同组合方式构建出RNA的复杂功能。然而现有的基序识别方法存在三大桎梏：过度依赖特定序列模式、受限于人工标注的相互作用网络、以及被骨架连接方式所束缚。这导致许多结构相似但拓扑各异的基序变体被系统性地遗漏，就像只认识正方形积木却忽略了其他形状的构建单元。

国际分子与细胞生物学研究所（International Institute of Molecular and Cell Biology in Warsaw）的Eugene F. Baulin团队在《Genome Biology》发表的研究带来了破局之道。他们开发的ARTEM 2.0算法摒弃传统约束，首创性地基于基序等容性（isostericity）原理，实现了RNA/DNA结构数据库的自动化搜索。这项技术不仅重新定义了kink-turn等经典基序的识别标准，更发现了包括五向连接（five-way junction）和外环（external loop）在内的全新拓扑变体，甚至首次在群体II内含子（group II intron）的协调环（coordination loop）中鉴定出kink-turn结构。

研究采用了几项关键技术：1）基于5原子表示的残基叠加算法处理骨架重排；2）针对PDB全库的拓扑无约束搜索；3）结合DSSR和urslib2的二级结构注释系统；4）多参数过滤体系（包括RMSD≤2.0?和最小12残基匹配）。特别值得注意的是，研究人员对BGSU代表性RNA结构集（2,394个PDB条目）进行了系统验证，并分析了包括核糖体RNA和病毒RNA在内的多种核酸样本。

【kink-turn基序识别】
通过以经典Kt7 kink-turn（1FFK链0）和k-junction（3D2G链A）为参考，ARTEM在精度（99.6% vs 87.7%）和召回率（76.7% vs 77.3%）上均超越传统工具DSSR。特别在群体II内含子分析中，ARTEM识别出7个kink-turn实例，而DSSR仅检测到2个，揭示了协调环中先前被忽视的基序架构。

【新骨架拓扑变体】
研究发现23S rRNA的J4/5区域实际形成五向k-junction（7P7T链A），其3n-3b位点保留tSH G-A碱基对特征。线粒体LSU rRNA片段（7PKT链8）则展现出首个外环型kink-turn，其2n-2b位点形成非常规的cWW配对。

【无kink变体】
模块#7（6ME0链A）展示出四向连接（4-way junction）的无kink结构，却完整保留了核心的tSW L1-1n等四对相互作用。更惊人的是模块#8（7PWO链1）作为首个长程基序，在28S rRNA的螺旋-螺旋界面形成了kink-turn样结构。

【kink/no-kink转换】
23S rRNA的J94/99区域在H.marismortui（3CC2链0）形成典型k-junction，而在其他细菌（4V8O链BA）中则因Helix 98的插入转变为无kink构象，揭示了物种特异的构象可塑性。

【其他核酸基序验证】
研究还系统验证了G-四链体（G-quadruplex）、GNRA四环、i-motif和平行配对基序（parallel-pairing motif）的识别效果。在GNRA四环筛选中，ARTEM发现了6.8%的GAAG和4.7%的UAAC非经典变体，这些结构需要额外稳定因素才能维持GNRA样折叠。

这项研究确立了基序等容性作为核酸三维结构研究的新范式。其核心突破在于：1）将等容性概念从碱基对扩展到复杂三级基序；2）揭示kink-turn基序的最小特征为1n-L1的I型A-minor相互作用（type I A-minor interaction）；3）发现群体II内含子催化核心中存在长程碱基对参与的kink-turn架构。这些发现不仅为Roifman综合征等疾病相关的剪接体RNA突变研究提供新视角，更为工程化设计核酸功能元件开辟了道路。ARTEM 2.0作为通用型基序挖掘工具，其应用将显著加速对RNA/DNA三维折叠规律的系统解码。