分子机器中RNA交叉结构稳定性的计算模拟研究

RNA junctions are the basic structural components of a variety of molecular machines including ribosome and DNA package motor. The studies of their stabilities and corresponding mechanisms are important to better understand the structural integrity of molecular machine. As revealed in our recent work, three way junction prohead RNA (3WJ-pRNA) of bacteriophage phi29's DNA package motor exhibits strong mechanical stability. And we further demonstrated a new biological structure motif with considerable rigidity: cooperative double Mg-clamps. Here we propose to use molecular dynamics simulation to study ribosome's 5S rRNA junction, explore the tertiary structure of other bacteriophages' pRNA along with their mechanical stability, investigate the impacts of bound Mg ions in a systematic way. And we plan to develop a phenomenological model to quantitatively characterize the cooperativity of bound Mg ions, and summarize the influence factors of mechanical stability. In addition, both phi29 pRNA and 5S rRNA demonstrate stronger thermostability and chemical stability than most nucleic acid junctions while the mechanism remains elusive. We will also study the ability of these two RNA junctions to maintain their structure in high temperature environment and in urea solution in a quantitative way and investigate the common rules of three types of stability. Because of their superior stability, RNA junctions like phi29 pRNA were widely exploited to the development of RNA nanomaterials which have promising application in biomedical study. These studies will also be helpful for the further development of RNA nanomaterials to improve their performance.

RNA交叉结构是多种分子机器的重要结构单元，其结构的稳定性与分子机制是理解分子机器结构稳定性的重要环节。申请者前期研究发现噬菌体phi29的DNA组装马达中pRNA交叉结构具有很强的力学稳定性，并揭示一种具有刚性的生物分子结构：相互耦合的双镁离子钳。本项目将利用分子动力学模拟研究另一类分子机器核糖体中5S rRNA交叉结构，并探索其他噬菌体马达中pRNA的结构，系统讨论其他镁离子分布方式及对应的力学稳定性。发展唯象模型定量刻画镁离子的耦合关系等影响因素。此外，phi29 pRNA及5S rRNA的热稳定性和化学稳定性也显著强于其他核酸交叉结构，但分子机制并不清楚。我们将进一步研究它们的热稳定性与化学稳定性，探索这三类稳定性的共性规律。由于具有高稳定性，pRNA被广泛用于构建RNA纳米材料，应用于生物医学研究。本项目研究结果将为设计发展RNA纳米材料提高材料性能提供理论支持。

在本项目研究中，利用分子动力学等计算模拟方法讨论pRNA结构稳定性以及离子对生物大分子结构和功能的影响进行研究，发展了有针对性的分析方法和物理指标，从多个角度讨论pRNA结构稳定性及其共性规律，以及离子影响生物大分子结构和功能的作用机制。其中定量研究了pRNA结构的热稳定性以及镁离子所起的作用，从而加深了关于pRNA结构稳定性的认识；拓展了关于其他具有刚性结构的pRNA分子的了解，并归纳形成镁离子钳以及刚性结构的序列特征，总结刚性RNA分子的共性规律；定量刻画了双镁离子钳对于保证pRNA刚性结构所提供的冗余机制，及其保证pRNA可靠行使DNA组装马达结构枢纽这一功能的作用机制。上述研究工作较为系统的研究了pRNA的序列、结构、稳定性与生物功能之间的关系以及镁离子所起的作用。为设计与发展功能可靠的RNA生物纳米材料探索了新的系统以及对应的序列特征与作用机制。我们还利用所发展的刻画离子与生物大分子的相互作用的计算与分析方法，较为全面地讨论了离子对生物大分子结构和功能的影响。其中发现了离子共转运蛋白结构中一种非对称的离子结合模式，使得离子对可以在稳定结合的同时保持运动的关联程度，揭示了离子共转运蛋白与功能相关的结构基础；发现了镁离子可以促进ATP之间相互作用及其与蛋白质的相互作用并揭示其作用机制；研究了贻贝共转运蛋白与溶液中离子的相互作用及其实现抗盐吸附的结构特征与作用机制。这些研究工作有效拓展了关于离子如何参与生物大分子形成结构行使功能的认识。在Science, Science Advances，JACS Au等杂志发表项目相关通讯作者论文10篇。