RNA假结的热力学和动力学参数及溶液和离子对假结的作用

RNA pseudoknots, which are common tertiary structures, take many important biological functions. It is important to understand RNA functions by predicting RNA structures including pseudknots and its folding kinetics theoretically. The accuracies of predictions are determined by the thermodynamic and kinetic parameters. There are no measured parameters for RNA pseudknot due to the complexity of its structures. The parameters for RNA secondary structures are approximately used for pseudknots in all the prediction methods. But experiments and molecular dynamic simulations all showed the parameters for the two kinds of structures are different, e.g. the melting temperatures are different. The parameters for pseudknots are sensitive to the solvent environments including the ion, but the mechanism of solvent and ion’s action is still unclear. This project proposes to get the thermodynamic and kinetic parameters of RNA pseudknots, as well as the solvent and ion effects by using molecular dynamic simulations.

RNA假结是生物系统中常见的一种RNA三级结构，在生命系统中发挥着非常重要的生物功能。通过理论方法预测包含假结的RNA结构及其折叠动力学对了解RNA生物功能非常重要。RNA结构和折叠动力学预测的准确性依赖于热力学和动力学参数的准确性。由于假结结构的复杂性，目前实验上尚未测出假结结构的热力学和动力学参数，已有的理论预测方法都是用RNA二级结构的参数来近似代替假结的参数。实验和分子动力学模拟都表明RNA假结与二级结构的热力学参数有差异，如具有不同的融化温度。假结热力学参数极易受环境的影响，环境包括离子对假结参数影响的物理机制尚未清晰。本项目通过对RNA假结中碱基对的开关动力学模拟从而获得其热力学和动力学参数，并分析不同溶液环境包括离子对假结参数影响的物理机制。

碱基对是RNA结构的基本单元，其热力学和动力学性质是了解RNA结构及结构与功能关系的关键。本项目建立了分子动力学模拟与统计物理相结合的方法定量得到碱基对的打开与闭合的热力学和动力学参数，运用该方法我们取得了一些创新的成果：（1）获得了碱基对的热力学参数和末端单个碱基对AU的平均寿命和转变速率，并深入分析了碱基对在打开和闭合过程中动力学机制。（2）获得了不同离子浓度下碱基堆积的热力学参数和碱基对在打开和闭合过程中开关动力学，并深入分析了不同的离子浓度对热力学和动力学的影响 （3）获得了不同的序列结构碱基对的热力学参数和碱基对的开关动力学，深入分析了序列结构对热力学和动力学的影响 （4）得到了假结结构中碱基对的热力学与动力学参数，发现与通常的假设相反，其热力学和动力学参数不同于二级结构的参数。（5）得到了Argonaute蛋白中PIWI/MID区域对miRNA的种子区域与靶RNA结合的形成碱基对的热力学和动力学参数，并阐明了其机制及生物功能的关系。（6）依据碱基对的热力学和动力学参数，建立了包含假结结构的RNA长链的转录折叠方法，并成功应用于HDV酶及念珠菌内含子转录折叠动力学，揭示了其上下游序列对活性结构的重要性。