大分子拥挤对RNA-离子相互作用影响的研究

RNA是具有重要功能的生物大分子，一方面，RNA带有高密度的负电荷，其结构性质强烈依赖于RNA-离子静电作用，另一方面，RNA处于大分子拥挤的复杂细胞环境中，大分子拥挤对RNA折叠的离子效应有重要影响，但对此问题的研究国际上还处于初始阶段。本项目中，我们将系统研究大分子拥挤环境中RNA-离子相互作用。首先，将拓展我们建立的统计力学（紧束缚离子，TBI)模型, 预测拥挤环境中RNA的离子凝聚和离子分布；其次，将利用拓展的TBI模型并结合计算机模拟预测大分子拥挤对RNA螺旋间电相互作用的影响；第三，将研究大分子拥挤对RNA三级折叠中静电轰塌态形成的影响；最后，将构建简化RNA三级折叠物理模型，研究大分子拥挤对RNA三级折叠中离子效应的影响。本项目将广泛考虑不同大分子拥挤环境以及离子条件等因素，并将与相关实验比较。本项研究将促进对细胞内大分子拥挤环境中RNA折叠的离子效应及其物理机制的全面理解。

RNA是具有重要功能的生物大分子，一方面，RNA带有高密度的负电荷，其结构性质强烈依赖于RNA-离子静电作用，另一方面，RNA处于大分子拥挤的细胞环境中，大分子拥挤对RNA折叠中的离子效应有重要影响。围绕上述问题，在本项目中，我们做了如下工作：（1）发展了适用于全原子核酸结构的紧束缚离子（TBI）理论，针对构建的简化结构模型，利用TBI理论研究了RNA结构塌缩中的离子效应和大分子拥挤效应，发现镁离子导致的静电塌缩态的效率比钠离子高上百倍，三级作用越强，结构折叠所需的离子浓度更低，进一步发现大分子拥挤可显著提高离子在RNA折叠中的钠、镁离子的效率，与相关实验相符；（2）利用蒙特卡洛方法结合赝弹簧法和热力学积分法，系统研究了带电分子间相互作用中的离子效应及多体拥挤效应对此相互作用的影响，发现仅在高浓度单价盐溶液时，带电分子间有效作用才是可加性的，而其不可加性的具体情形与离子价数、浓度以及带电分子的电荷密度紧密相关；（3）发展了能预测拥挤环境下RNA折叠的粗粒化模型，此模型可以较好预测小RNA分子（<70nt）的三维结构、RNA发夹热力学及其中的钠、镁离子效应，关于小分子RNA结构、热力学以及柔性的预测与广泛实验结果一致；（4）利用全原子分子动力学方法，系统研究了具有生物功能重要性的短链DNA双螺旋的柔性，结合蠕虫链模型，揭示了短链DNA高柔性来自于其末端6个碱基对的高柔性，并得到了短链DNA持久长度的经验公式，进一步对比研究了短链DNA和RNA柔性的异同并揭示了其微观机制；（5）利用全原子分子动力学，预测了高价离子溶液中短链DNA-DNA间和短链RNA-RNA间的相互作用，并分析得到了造成其间不同相互作用的微观机制与其不同螺旋的拓扑结构导致的不同离子凝聚模式相关，进一步我们研究了二价离子溶液中双链DNA间与三链DNA间相互作用的异同并分析了其机制；（6）针对具有拉伸弹性的RNA/DNA-like半弹性链，推导了其轮廓长度和端-端距离分布函数的解析表达式，与蒙特卡洛和全原子模拟的对比显示其能很好描述短链RNA和DNA轮廓长度和端-端距离分布。上述研究结果已达到本项目设定的研究目标，后续有关研究将会继续进行。