通过分子动力学模拟和理论分析研究信息RNA在核糖体内的移位机理

Ribosome is a very important type of molecular machine inside cell. It uses message RNA (mRNA) as the template to synthesize polypeptide, which is called translation. The translocation of mRNA in the ribosome is a critical step in the translation. Despite of extensive studies by using crystallography, biochemical and single-molecular techniques, the detailed molecular mechanism of the ribosomal translocation is still not very clear. Here, we will use all-atom molecular dynamics (MD) simulations combining with the theoretical analyses to study the mechanism of the ribosomal translocation. Using targeted MD simulations, we will obtain the structural trajectory of the ribosome-mRNA-tRNA complex during its transition from pre- to post-translocation state. Based on the trajectory, we will analyze the dynamic relationship among the conformational changes of ribosome, mRNA and tRNA, studying the molecular mechanism of the ribosomal translocation and determining the detailed pathways of the translocation and translation elongation cycle. Based on the pathways, we will study the dynamics of translocation and translation elongation, quantitatively explaining various available experimental data. Moreover, we will present predicted results, which can be verified by future experiments.

核糖体是生物体内非常重要的一类分子机器，它以信息RNA（mRNA）作为模板合成蛋白质多肽链（这个过程称为翻译）。在翻译过程中，mRNA在核糖体中的移位是很重要的一步。尽管通过结构、生化、单分子等实验手段对核糖体移位进行了广泛的研究，其分子机理仍不清楚。本项目主要通过全原子分子动力学模拟结合理论分析研究核糖体移位的分子机理。研究内容包括：利用targeted分子动力学方法，全原子模拟核糖体-mRNA-tRNA复合体从前移位态到后移位态转换过程中其结构随时间的变化路径，确定移位过程中核糖体各个单元与mRNA和tRNA之间相对变化的动力学关系，从而确定移位的分子机理，建立移位的详细路径以及核糖体多肽链延长周期的完全路径。定量解释已发表的各种关于核糖体移位及核糖体多肽链延长的生化及单分子实验结果，并提出新的预言结果，指导进一步实验研究。

在核糖体持续合成蛋白质多肽链的过程中，脱酰tRNA脱离E位点和氨酰tRNA结合到A位点上起着关键的作用。 然而，脱酰tRNA的脱离和氨酰tRNA的结合这两个反应是如何协调的到目前为止还不清楚。我们研究了脱酰tRNA的脱离和氨酰tRNA的结合这两个反应之间的协调。我们发现在多肽链合成的最初阶段，存在两条态转换路径，在每一条路径中脱酰tRNA 脱离的速率是随机的。但是两条路径中脱离的速率存在很大差别，因而造成脱酰tRNA 脱离与氨酰tRNA结合的两个反应是一个随机的竞争过程。而在随后的延长阶段，只存在一条态转换路径，脱酰tRNA 脱离与氨酰tRNA 结合的两个反应是一个随机的竞争过程。另外，对核糖体的工作效率等问题也进行了研究。.由于文献中刚发表了驱动蛋白马达在不同核苷酸状态下与微管结合的结构数据，我们进而对驱动蛋白马达的运动机理进行了深入的全原子分子动力学模拟和理论研究。我们发现在无核苷酸、ATP和ADP.Pi状态下的强相互作用能够快速地（以10 ns的量级）引起微管蛋白很大的构形变化，而ADP状态下的弱的相互作用不能够引起微管蛋白的构形变化。更为重要的是，ADP态时驱动蛋白与有构形变化的微管蛋白的结合能大大小于与无构形变化的微管蛋白的结合能。这表明在驱动蛋白释放Pi后存在一短暂的时间，在这短暂的时间内微管蛋白保持着其变形的状态，使ADP态下的驱动蛋白与微管蛋白之间存在很小的结合能。因而在热噪音作用下驱动蛋白很容易脱离微管。一段时间后微管蛋白的形状恢复成不变形的状态，大大增加了ADP态下的驱动蛋白与微管蛋白之间的结合能。利用全原子分子动力学模拟研究了两个头部的相互作用。我们发现当结合在微管上的头部在颈链对接发生之前其与脱离微管的ADP头具有强的结合能，颈链的对接大大减弱了它们之间的结合能。基于这些完全创新的发现，我们提出了双头驱动蛋白沿微管运动全新的微观机理。利用所提出的机理，对驱动蛋白的动力学特性进行了深入的理论分析，定量解释了各种各样的实验结果。