短链核酸螺旋-螺旋相互作用中离子效应的研究

螺旋（helix）是核酸复杂结构中的基本组成单元，金属离子，特别是高价离子媒介的短链螺旋间相互作用对于RNA折叠至关重要因而近来备受关注。然而，现有理论无法较好的处理核酸复杂结构与高价离子间的静电作用，为此我们建立了紧束缚离子(TBI)模型。与广泛实验比较显示，TBI模型较好的预测了钠、镁离子对RNA/DNA简单结构形成热力学的贡献。最近，此模型已被拓展来预测复杂全原子核酸结构的静电性质。本项目中，我们将继续优化TBI模型并结合此模型和蒙特卡洛方法全面研究短链核酸螺旋-螺旋相互作用中的离子效应，包括离子浓度、价数、尺寸和凝聚亲和性效应以及其中的螺旋长度效应和螺旋多体效应。进一步，通过构建简化的RNA折叠结构模型，研究RNA静电轰塌态形成中的离子效应及其物理机制，并将与相关实验定量比较。本项研究将促进对短链核酸螺旋-螺旋静电作用和RNA折叠静电轰塌态中离子效应的预测及其物理机制的全面理解。

由于核酸（DNA、RNA）骨架上带有高密度负电荷，短链核酸间的静电相互作用对RNA折叠结构、热力学及动力学至关重要。本项目聚焦短链核酸间电相互作用及RNA折叠中的离子效应，特别是高价离子效应，做了如下主要工作：（1）发展了适用于全原子核酸结构的紧束缚离子（TBI）理论，定量预测了小分子RNA三级结构稳定性中离子的效应，并通过系统的计算得到了小分子RNA三级结构稳定性与钠、镁离子浓度的定量经验公式；（2）构建简化的双螺旋结构模型模拟RNA结构折叠，利用TBI理论研究了RNA结构塌缩中的离子效应，发现镁离子导致的静电塌缩态的效率比钠离子高上百倍，而且镁离子媒介的静电塌缩态比钠离子媒介的静电塌缩态相对有序；（3）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的离子效应及其多体效应，发现仅在高浓度单价盐溶液时，带电分子间有效作用的可加性才成立，而其不可加性的具体情形与盐离子浓度、价数以及带电分子的电荷密度相关；（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高柔性的内在机制，并得到了短链DNA屈服长度的经验公式；（5）利用全原子分子动力学，预测了短链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相关；（6）发展了预测RNA三维结构、热力学和离子效应的粗粒化模型，对小分子RNA（<50 nt）的结构预测以及对RNA发夹结构的热力学及其中盐离子效应的预测与广泛实验结果一致。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。