生命學院薛毅課題組在化學位移預測與RNA瞬態二級結構的研究中取得進展

2021-03-15 18:47:00

化學位移是核磁共振(NMR)中最重要的物理觀測量。它的數據獲取相當方便,測量的精確度和可重復性都很高,而且對于生物大分子的結構變化非常敏感,因此成為獲取大分子的結構和動態信息的重要數據來源。幾十年來,如何準確預測化學位移一直是NMR研究中的一個基礎并且關鍵的問題。一個準確的化學位移預測工具不僅能夠簡化繁雜的譜峰指認工作,更重要的是,它在生物大分子的結構解析和基于實驗數據的結構建模方面有巨大的應用價值。目前對于蛋白質的化學位移預測已經有很多研究,但是對于RNA的化學位移預測卻明顯滯后,特別是缺乏可靠的針對RNA亞氨基團的預測工具。

清華大學生命科學學院薛毅課題組一直致力于運用以核磁共振為主的實驗技術并結合計算方法來研究生物大分子的結構與動態。亞氨基團是對RNA進行核磁測量的重要檢測“探針”,但是準確預測其化學位移預測具有較大的難度。在本項研究中,他們發現對于RNA的A型螺旋區,一個亞氨基的化學位移是由其所在的配對以及緊鄰的上下兩對配對所共同決定的。這樣的三對連續堿基對可以簡稱為堿基對三聯體。通過采集幾十個發卡RNA樣品的化學位移數據,并將這些新數據與核磁公共數據庫的已有數據結合,他們得到了一個從堿基對三聯體查詢亞氨基化學位移的查詢表,該表能夠用來預測處于堿基對三聯體中央的亞氨基的化學位移,并具有很高的預測準確度(圖1)。他們還發現不同的堿基對三聯體之間化學位移的差異能夠通過半經驗性模型的計算得到很好的解釋。進一步,他們利用半經驗性模型計算了部分非經典結構元件的亞氨基化學位移,也達到了相當高的預測準確度。這證明半經驗計算模型未來有望能夠被用來預測更復雜RNA結構的化學位移。最后,他們還展示了該化學位移預測方法的一個運用實例,即用來確定RNA瞬態的二級結構。他們通過運用15N R1r和1HN CEST核磁弛豫彌散實驗,并結合亞氨基化學位移預測方法,成功驗證了P5abc RNA瞬態的二級結構,并且證實了之前研究中猜測的G?G堿基錯配的存在。

圖1. a) “堿基對三聯體”的定義;b) 發卡RNA的二級結構;c) 化學位移預測值與實驗值的相關性(訓練集);d) 化學位移預測值與實驗值的相關性(測試集)。


該研究工作2021年3月11日在《自然通訊》(Nature Communications)刊物上發表,題為“RNA化學位移的預測及其在研究RNA瞬態結構上的應用”(Chemical Shift Prediction of RNA Imino Groups: Application toward Characterizing RNA Excited States)。清華大學生命科學學院薛毅研究員為本文通訊作者,生命科學學院已畢業的博士生王艷嬌為本文第一作者,生命科學學院博士生韓鴿以及科研助理姜修英參與了部分工作,北京大學藥學院宇文泰然研究員在核磁實驗的脈沖序列和實驗設置上提供了重要幫助。本研究得到了清華-北大生命科學聯合中心和北京市結構生物學高精尖創新中心的基金支持。核磁實驗數據的采集在清華大學蛋白質研究中心核磁平臺完成。


原文鏈接為:https://www.nature.com/articles/s41467-021-21840-x。


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