RNA赝结的三维结构、柔性、稳定性及其中离子效应的研究

RNAs are biological macromolecules with important functions, and their functions are generally coupled to their structures and proper structural changes. RNA pseudoknots are a kind of typical tertiary structural elements and are tightly related to some important biological functions. Due to the polyanionic nature of RNAs, metal ions in solutions especially multivalent ions, are critical to 3-dimensional (3D) structures, flexibility and stability of RNAs. However, because of the complex structures of RNA pseudoknots, the coupling between structure and ion-binding and correlation between multivalent ions, it is still difficult to have comprehensive predictions and deep understanding on the structures, flexibility and stability for RNA pseudoknots in ion solutions, especially on the effect of multivalent ions. In this project, we will continuously develop the coarse-grained (Efold) model for predicting 3D structures of RNA pseudoknots. We will combine the Efold model, all-atom molecular dynamics, and the tightly bound ion model to extensively predict the 3D structures, flexibility, stability and ion effects for RNA pseudoknots. Our predictions will be extensively compared with available experiments, and we will further reveal the influencing factors for the flexibility and stability of RNA pseudoknots and the related microscopic mechanism. This project would enable the development of RNA 3D structure prediction model and the comprehensive understanding on the flexibility, stability and ion effects for RNA pseudoknots.

RNA是具有重要生物功能的大分子，其诸多功能一般强烈依赖于其结构和正常的结构变化。RNA赝结是RNA结构中典型的三级结构单元，而且具有重要的生物功能。RNA带有高密度负电荷，因而溶液中金属离子对其结构、柔性和稳定性等有重要影响，特别是高价离子如Mg2+。然而，由于RNA赝结的复杂结构、结构与离子凝聚的耦合以及高价离子间的强关联作用，对RNA赝结的结构、柔性、稳定性及其中离子效应（特别是高价离子效应）的广泛预测以及深入理解仍然缺乏。本项目中，我们将发展先前建立的RNA三维结构预测模型，并将结合全原子分子动力学和紧束缚离子模型等方法全面预测RNA赝结的三维结构、柔性、稳定性及其中的离子效应，我们的预测将与相关广泛实验比较，进一步我们将揭示RNA赝结结构柔性和稳定性中的重要影响因素及其微观机制。本项目将促进对RNA三维结构预测模型的发展和对RNA赝结的柔性、稳定性及相关微观机制的全面理解。

RNA是具有重要生物功能的大分子，其生物功能一般强烈依赖于其结构以及合适的结构变化，RNA赝结是RNA复杂结构中典型且具有重要生物功能的三级结构单元。本项目围绕RNA赝结的三维结构、柔性、稳定性及其中离子效应，展开了全面深入和拓展的研究。我们结合RNA三维结构预测模型、全原子分子动力学和离子静电模型等方法全面研究了RNA赝结的三维结构、柔性、稳定性及其中的离子效应，主要包括：1,发展了RNA结构预测模型eFold预测RNA赝结和吻环结构的三维结构和柔性及其中的离子效应，以及受限环境对赝结结构和稳定性及其中离子效应的影响；2，研究了单价离子和双价离子对包括赝结在内RNA三级结构的竞争凝聚行为并揭示了其中普适规律；3，发展RNA三维结构评估统计势rsRNASP，此势可对包括赝结在内RNA结构进行评估并已上线免费供下载使用；4，研究了核酸弹性中的高价离子效应，揭示了RNA和DNA弯曲弹性相反高价离子效应的微观机制。本项目基本按计划执行，取得了系列相关重要的研究进展。本项目已在SCI刊物发表或接受主要论文15篇，其中包括本领域重要刊物Phys Rev Lett、RNA、Biophys J、PloS Comput Biol论文8篇，并有后续成果在投寄和准备中，项目主持人是上述所有论文的通讯作者。