计算机模拟整合冷冻电镜结构研究生物大分子复合物的组装

Biomolecular complexes play key roles in many biological processes, and it would be very important to investigate how different subunits (proteins, DNA, or RNA) assemble into the complex. Computer simulations may be very useful in the study of biomolecular complex assembly, which is however a challenging task. In recent years, cryo-electron microscopy (cryo-EM) has become a promising technique for determining the structures of biomolecular complexes. This project aims to develop a simulation protocol including all-atom and coarse-grained simulations, which can utilize structures of biomolecular complexes solved by cryo-EM to simulate their assembling processes efficiently. The simulation methods will be first validated by studying self-assembly of nucleosome in vitro. We will find out the pathways of histone proteins and dsDNA assembling into a nucleosome core particle, and further analyze the molecular mechanism controlling this process. Then we will work on the nucleosome containing a histone variant H2A.Bbd (Barr body deficient). It has been reported that the replacement of H2A by H2A.Bbd will change the structure of nucleosome violently. We want to know how this histone variant would affect the nucleosome assembly. In summary, computer simulations integrating cryo-EM structural data will have the enhanced ability to study those important biological processes.

生物大分子复合物参与了许多重要的生物学过程，对其动态组装的计算机模拟有助于阐明它们行使功能的机理。冷冻电镜是近年来快速发展的结构生物学技术，它非常适合超大分子复合物的结构解析，能为研究其组装提供丰富的实验数据。本项目致力于建立能有效整合冷冻电镜结构数据的计算机模拟方法（包括全原子模拟和粗粒化模拟等），用于研究生物大分子复合物组装这个很有挑战性的课题。首先我们将模拟染色质的基本单元-核小体的体外组装过程，在对方法进行检验及完善的同时，勾勒核小体组装的路径，揭示组装的分子机理。进一步我们尝试包含组蛋白变体H2A.Bbd的核小体的组装模拟，研究组蛋白变体对核小体组装过程的影响，在此基础上探讨组蛋白变体调控核小体及染色质结构和功能的机制。本项目的实施有望增进计算模拟和实验的结合，拓宽前者在研究重要生物学过程中的应用。

生物大分子复合物参与了许多重要的生物学过程，对其动态组装的计算机模拟有助于阐明它们行使功能的机理。冷冻电镜是近年来快速发展的结构生物学技术，它非常适合超大分子复合物的结构解析，能为研究其组装提供丰富的实验数据。本项目致力于发展/应用能有效整合冷冻电镜数据的计算机模拟方法（包括全原子模拟和粗粒化模拟等），用于研究生物大分子复合物组装这个很有挑战性的课题。在本项目的资助下，我们完成了下列研究：（1）发展了能整合冷冻电镜等不同来源实验数据，构建生物大分子结构模型的新方法；（2）发展了基于生物大分子粗粒化结构重构其全原子结构模型的新方法；（3）利用粗粒化模拟研究了大肠杆菌RNA分子伴侣Hfq六聚体与其RNA底物的组装过程，探讨了Hfq的羧基端尾巴对底物结合的调控；（4）利用全原子分子动力学模拟研究核小体组装过程中的各个阶段（包括组蛋白单体、二体、四聚体、六聚体和八聚体），探讨了盐浓度对核小体组装的影响；（5）基于染色质30nm纤维的电镜结构，搭建了其全原子结构模型，利用全原子分子动力学模拟和粗粒化模拟研究了组蛋白H1对纤维组装的调控；（6）利用多尺度模拟研究了组蛋白变体H2A.B对核小体及染色质纤维结构及组装的调控，探讨了其分子机理。本项目的研究将增进计算模拟和实验的结合，拓宽多尺度模拟技术在整合结构生物学中的应用。