双链RNA复合体三维结构及其热稳定性的粗粒化建模研究

论文摘要

RNA是具有重要功能的生物分子,其中的非编码RNA参与了包括基因表达调控与催化生化反应等关键生命过程。RNA分子的功能与其紧凑折叠的三维空间结构及相应的热力学稳定性密切相关。因此,获得RNA分子的三维结构与热力学稳定性信息是理解其复杂生物学功能的基本条件,也能为人工设计新型RNA生物功能分子与药物提供指导。然而,通过实验方法精确测定RNA分子三维结构的成本与耗时仍然十分巨大,数据库中已测定的结构数量与已发现的庞大的RNA分子数量相比具有数量级的差距,而且该差距还在日益增大。与其相对应的RNA分子的热力学稳定性的实验测定也同样无法满足飞速增长的研究需求。因此,通过理论计算模型预测RNA分子的三维结构与热力学稳定性的方法取得了一定的发展。在二维结构层面上,已经发展出了较为成熟的RNA二级结构与热(动)力学预测模型,但是由于更加巨大的三维空间结构复杂度,RNA三维结构预测方法的研究仍处于发展阶段。由于RNA分子对包括离子在内的环境影响高度敏感,使得已有的RNA三维结构与热力学预测模型面临着巨大的挑战。本文进一步发展了能预测双链RNA三维结构的Efold模型,并对单/双价离子溶液中的双链RNA与RNA kissing复合体三维结构及其热力学稳定性进行广泛预测和分析,主要成果如下:(1)发展预测双链RNA三维结构与热稳定性的Efold粗粒化模型我们在三颗粒粗粒化模型Efold已有的结构模型与能量函数的基础上,引入了有限体积下的双链RNA构象抽样,以及考虑了RNA分子上不均匀分布的负电荷密度对补偿离子凝聚数量影响的基于RNA三维结构的静电相互作用势。通过相应的有限体积抽样误差修正和链浓度修正,发展后的Efold模型可以从序列出发,预测单/双价离子溶液中的双链RNA以及RNA复合体的三维结构,并定量计算其热力学稳定性。(2)预测双链RNA的三维结构、结构柔性、热力学稳定性及去折叠路径我们从序列出发广泛的预测了单/双价离子溶液中含有突环与内环的双链RNA的三维结构,总体预测结构与实验结构的RMSD小于3.5?。同时,我们通过模拟分析了不同浓度单价离子溶液中的双链RNA结构的柔性,计算得到的持久长度与实验一致。我们对不同序列的双链RNA在不同浓度的单/双价离子溶液中熔解温度的预测,获得了与实验值非常接近的结果,总体偏差<2摄氏度。对双链RNA热力学去折叠路径的分析显示出其去折叠路径主要由链长度以及序列决定,即与其中间态的稳定性紧密相关。(3)预测RNA kissing复合体的三维结构,热力学稳定性及折叠路径利用发展后的Efold粗粒化模型,我们从序列出发,预测了不同RNA kissing复合体在不同浓度的单/双价离子溶液中的三维结构,预测结构与实验结构总体RMSD小于5.4?。与实验相比,对广泛RNA kissing复合体在不同浓度的单/双价离子溶液中的溶解温度的预测误差为~2.4摄氏度。我们的分析发现,RNA kissing中的两组共轴堆积作用对其折叠态三维结构的形成与稳定起着重要的作用。相较于普通双链RNA双螺旋,RNA kissing复合体的三维结构与热力学稳定性受单/双价离子的影响更为显著。对其热力学折叠路径的预测与分析发现,由其序列决定的所有可能三维结构的相对稳定性,进而决定了其折叠路径与最终的折叠结构。(4)预测RNA kissing复合体热力学折叠路径的序列与离子调控考虑到RNA折叠路径由其可能的三维结构的相对稳定性决定,而同序列的RNA kissing复合体与双链RNA双螺旋的热力学稳定性受单/双价离子的影响程度不同,因此我们进一步预测了不同序列与离子浓度下的RNA kissing复合体的折叠路径,我们的预测与分析发现,复合体的序列通过决定各个折叠态的相对稳定性而决定复合体的折叠路径,离子通过调节各个折叠态的相对稳定性来调控复合体的折叠路径。

论文目录

• 博士生自认为的论文创新点
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
•   1.1 .RNA分子简介
•     1.1.1 .RNA的化学组成与主要相互作用
•     1.1.2 .RNA的分子结构与结构分类
•     1.1.3 .编码RNA与中心法则
•     1.1.4 .非编码RNA与 RNA世界假说
•   1.2 .RNA结构的测定与预测
•     1.2.1 .测定RNA三维结构的实验手段
•     1.2.2 .Protein DataBase（PDB）数据库
•     1.2.3 .RNA二级结构预测
•     1.2.4 .RNA三级结构预测
•   1.3 .RNA热力学稳定性的测定与预测
•     1.3.1 .测定RNA热力学的实验手段
•     1.3.2 .RNA热力学参数与最近邻模型
•     1.3.3 .RNA热力学稳定性预测
•     1.3.4 .RNA分子的折叠路径预测
•   1.4 .本文的研究意义与内容安排
• 第二章 双链RNA的三维结构与热力学预测
•   2.1 .本章概述
•   2.2 .发展适用于双链RNA的Efold模型
•     2.2.1 .双链RNA结构粗粒化模型
•     2.2.2 .能量函数
•     2.2.3 .模拟与抽样
•     2.2.4 .抽样修正与理论计算
•   2.3 .基于三维结构的隐含离子静电势
•     2.3.1 .泊松-玻尔兹曼理论与离子凝聚理论
•     2.3.2 .紧束缚离子理论
•     2.3.3 .基于RNA三维结构的隐含离子静电势
•   2.4 .结果与讨论
•     2.4.1 .单/双价离子溶液中双链RNA的三维结构预测
•     2.4.2 .单/双价离子溶液中双链RNA的热稳定性与去折叠路径预测
•     2.4.3 .单价离子溶液中双链RNA双螺旋结构的柔性预测
•   2.5 .本章小结
• 第三章 RNA kissing复合体的三维结构与热力学预测
•   3.1 .本章概述
•   3.2 .Efold粗粒化模型与预测方法
•   3.3 .结果与讨论
•     3.3.1 .单/双价离子溶液中RNA kissing复合体的三维结构预测
•     3.3.2 .共轴堆积与离子溶液对RNA kissing复合体三维结构的影响..
•     3.3.3 .单/双价离子溶液中RNA kissing复合体的热稳定性预测
•     3.3.4 .共轴堆积与离子溶液对RNA kissing复合体热稳定性的影响..
•     3.3.5 .RNA kissing复合体的折叠路径预测
•   3.4 .本章小结
• 第四章 RNA kissing复合体热力学折叠路径的序列与离子调控预测
•   4.1 .本章概述
•   4.2 .Efold粗粒化模型与预测方法
•   4.3 .结果与讨论
•     4.3.1 .序列对RNA kissing复合体折叠路径的调控
•     4.3.2 .离子对RNA kissing复合体折叠路径的调控
•   4.4 .本章小结
• 第五章 总结与展望
•   5.1 .本文主要内容总结
•   5.2 .前景展望
• 参考文献
• 攻读博士期间发表的论文
• 致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 金雷

导师: 谭志杰

关键词: 双链,粗粒化模型,三维结构,稳定性,离子效应,折叠路径

来源: 武汉大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 生物学

单位: 武汉大学

分类号: Q522

总页数: 138

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