基于知识模型的核糖核酸分子的结构与热力学性质

《Journal of Chemical Theory and Computation》：Structural and Thermodynamic Properties of RNA Molecules Using a Knowledge-Based Model

　　

研究人员提出了一种粗粒化模型，用于描述核糖核酸（RNA）分子的解折叠过程和热力学性质。研究人员从蛋白质数据库（PDB）中获取并分析了1944个不同分子量及不同条件下的RNA三维结构。研究人员将这些分子的全原子表示简化为每个核苷酸位于其质心的单一相互作用点。基于此信息，研究人员计算了RNA链的特征性质，如键分布函数和轮廓长度，从而估算出由磷酸二酯键连接的两个核苷酸之间最可能的距离为 a = 5.5 ± 0.4 ?。研究人员还计算了这些链的回转半径，由此得出弗洛里指数（Flory exponent）的估计值为 ν = 0.33 ± 0.01，分形维度为 dF = 3.03 ± 0.09。此外，研究人员确定持续长度为 lp = 9.5 ± 4.1 ?。另一方面，不同的分子构型被用来改善各种自由度的对分布函数的统计特性。这些被用于获取前一个模型中的有效相互作用势，该模型经历了一系列改进，减少了拟合参数的数量并增强了对径向-角相互作用的描述。这些势的拟合参数通过使用迭代玻尔兹曼反演算法的布朗动力学（BD）模拟进行了优化。优化后的势被用于导向BD模拟，以恒定速度对一系列发夹和假结结构进行机械解折叠。这些模拟的结果与实验数据进行了对比，取得了极好的一致性。在解折叠过程中，研究人员监测了模型不同自由度的构型温度（CT）以及总CT。研究人员使用Jarzynski等式计算了亥姆霍兹自由能变化 ΔA。通过 ΔA 和力-伸展曲线的积分，研究人员获得了吉布斯自由能变化 ΔG，并将其与使用光镊进行RNA分子解折叠的实验结果进行了成功比较。最后，基于模拟的内能变化值，研究人员估算了熵变 ΔS。这些值与理论模型的熵变进行了比较。最终，研究人员利用该模型计算了与病毒蛋白表达相关的分子的上述热力学函数变化。

核糖核酸（RNA）分子在广泛的细胞生物学过程中发挥着关键作用。尽管三维（3D）结构与功能之间的关系已得到广泛认可，但确定RNA分子的结构依然是一个活跃的研究领域。近年来，冷冻电子显微镜等技术极大推动了结构生物学的发展，为从微观特征推导宏观性质提供了丰富数据。目前，研究中存在一些尚未完全解决的问题，特别是在数值模拟领域。现有的一些粗粒化模型，如三相互作用位点（TIS）模型和自组织聚合物（SOP）模型，在模拟RNA机械解折叠时存在局限性。例如，SOP模型由于势能的径向对称性忽略了作用位点的相对方向，导致力-伸展曲线（FECs）的振荡小于实验观察值，且由于仅考虑天然态吸引相互作用，难以模拟区域重排现象。此外，全原子分子动力学（MD）模拟的计算时间尺度受限于皮秒到微秒级别，难以匹配实验中秒级的拉伸过程，而量化分子系统（如RNA）的熵变仍是一个充满挑战的研究课题。因此，开发更精确、计算成本更低的计算模型以准确描述RNA分子的结构特征与热力学性质，具有迫切的研究需求。这项研究探讨了RNA分子的结构与热力学性质，论文发表在《Journal of Chemical Theory and Computation》上。

研究人员提出了一种改进的基于知识 base 的粗粒化模型，通过优化有效相互作用势，准确模拟了RNA分子的机械解折叠过程，并计算了相关的热力学函数。结论表明，该模型在模拟发夹和假结结构的解折叠时与实验数据表现出极好的一致性，成功估算了自由能和熵的变化，并具有预测与病毒相关RNA分子热力学性质的能力。这对于理解RNA的构象变化及设计基于信使RNA（mRNA）的新型疫苗和治疗手段具有重要意义。

为开展这项研究，研究人员主要采用了以下关键技术方法：从蛋白质数据库（PDB）中选取了1944个长度从3到4298个核苷酸的实验三维结构进行统计分析；引入了将每个核苷酸简化为位于其质心的单一相互作用点的粗粒化描述；采用了迭代玻尔兹曼反演（IBI）算法对有效相互作用势的拟合参数进行优化；使用二阶过阻尼布朗动力学（BD）模拟算法进行结构演化和机械拉伸模拟；应用Jarzynski等式从非平衡模拟轨迹中计算亥姆霍兹自由能变化，并结合热力学关系推导吉布斯自由能与熵变。

有效势的调整
研究人员选取了包含全部核苷酸信息的6种高分子量核糖体RNA作为研究样本，通过势均力力（PMF）作为相互作用的第一近似。为修正密集系统中PMF无法准确重现分布函数的问题，研究人员运用了迭代玻尔兹曼反演（IBI）算法对势能进行迭代优化。通过BD模拟对拟合参数进行多轮优化后，结果表明优化后的势能能够精确恢复沃森-克里克和摆动碱基对的径向-角分布函数，成功重现了实验观察到的分布最大值。

RNA发夹的机械解折叠
研究人员以与实验加载速率相匹配的条件模拟了多种RNA发夹结构的机械解折叠。模拟得到的平均解折叠力和平台长度与光镊实验数据高度吻合。通过监测解折叠过程中的构型温度，研究发现键、弯曲、扭转和径向-角等不同自由度的构型温度在解折叠过程中表现出特定的变化趋势，而总构型温度始终保持稳定，接近于1。这验证了模型在描述简单二级结构解折叠力学响应方面的可靠性。

假结结构的机械解折叠
针对比发夹更复杂的假结结构，研究人员的模拟结果指出，在不包含镁离子的情况下，模拟的起始解折叠力略低于实验值；而显式引入Mg²⁺离子相互作用后，模拟结果与实验数据取得了更好的一致性。对假结解折叠过程中构型温度的监测显示，由于具有较高的加载速率，扭转和径向-角度自由度的构型温度表现出更大的振荡，但总构型温度依旧保持稳定，证明了模型在处理复杂构象时的稳定性。

机械解折叠中的热力学性质计算
研究人员通过积分FECs计算了解折叠功，并借助Jarzynski等式估算了亥姆霍兹自由能变化 ΔA。结合B D模拟和外部做功，推导了吉布斯自由能变化 ΔG。结果显示，无论是发夹还是假结结构，模拟得出的 ΔG 与实验值及理论预测值均具备良好的一致性。同时，基于内能和自由能变化，推导出了系统的热力学熵变 ΔS。与高斯链、自避行走链（SAW）和蠕虫状链（WLC）等理论模型相比，模拟得到的熵变数量级相符但具有正确的物理符号，表明该模型能够准确反映真实RNA链在局部刚性与碱基配对约束下的构象熵变化。

两种医学相关分子机械解折叠的预测
为了验证模型的预测能力，研究人员对与病毒相关的两种RNA分子进行了机械解折叠模拟。预测结果显示，甲型流感病毒启动子（1JO7）表现为单平台解折叠，而SARS-CoV-2移码刺激元件（6XRZ）则表现出包含多个中间态的三平台解折叠特征。研究人员成功计算了这些分子的热力学函数变化，尽管现有理论工具在预测此类复杂基序的二级结构时存在局限，但该模拟结果提供了极具价值的热力学参数行为预测。

结论
研究人员通过修改耦合角度的定义并扩展用于计算分布函数的RNA结构样本量，显著提升了模型对径向-角相互作用势的描述能力。基于对1944个PDB结构的分析，研究人员准确估算了核苷酸间的平均距离、弗洛里指数和分形维度等特征长度。利用IBI算法优化后的势能能够精确重现大分子RNA的分布函数。在不同加载条件下模拟的发夹和假结解折叠结果与实验数据高度吻合。通过监测构型温度并应用Jarzynski等式，研究成功计算了亥姆霍兹自由能、吉布斯自由能以及熵变。这些模拟结果不仅与理论模型在数量级上保持一致，且具有正确的熵变符号。鉴于该模型的高精度与相对较低的计算成本，它将成为设计新型 信使RNA 疫苗或其他疗法的宝贵辅助工具。