离子条件下RNA折叠稳定性的理论研究

【摘要】核糖核酸(RNA)的结构特征与折叠稳定性决定了其生物细胞功能。研究表明：RNA的折叠稳定性对其所处溶液环境中的离子条件十分敏感。为了深入了解离子促进RNA折叠的机理,并准确预测离子与RNA折叠稳定性之间的定量关系,许多理论致力于研究离子与RNA之间的相互作用对RNA折叠稳定性的影响。紧束缚离子(TBI)模型以三维RNA全原子结构为研究对象,在计算离子与RNA相互作用时,考虑了束缚离子之间的两两相互作用及束缚离子的涨落,因而在预测多价离子调控的RNA折叠稳定性上,较其他基于平均场的理论模型(如Poisson-Boltzmanntheory,PB)更为准确。四碱基环与受体的对接结构(tetraloop-receptor)是常见的RNA三级结构基本单元,了解其形成的机理有助于深入理解RNA三级结构折叠的一般规律。结合TBI模型与RNA折叠模型(Vfold),在给定离子条件下,我们研究了tetraloop-receptor系统的对接结构的稳定性。以Vfold模型构建的tetraloop-receptor系统的已对接态和未对接态的三维全原子构象系统为对象,应用TBI模型预测了该系统在不同浓度的Mg2+离子溶液中的静电热力学参数。对接自由能及其各组成成分随Mg2+离子浓度的变化规律均表明：离子熵是tetraloop-receptor对接的主要驱动力；离子熵的主要贡献来自于扩散离子；通过静电屏蔽或电荷中和效应,库伦相互作用力在对接过程中也有一定的作用。我们的理论预测结果与实验数据及分析十分吻合。本论文所开拓的结合Vfold和TBI研究方法,为研究离子调节的复杂RNA系统折叠稳定性提供了一种具有参考价值的策略模式。TBI模型在高浓度的多价离子条件下,一般高估RNA系统的折叠稳定性,此误差可能来自于忽略了高浓度下束缚离子间的多体效应。针对这一问题,我们改进了TBI模型。将改进后新的模型应用到BWYV和T2两个RNA系统后发现：由于考虑了束缚离子间多体效应,在高浓度Mg2+离子条件下,改进后的TBI模型对这两个RNA系统折叠稳定性的预测结果均有了较大改善,与实验结果更为符合。应用改进后的TBI模型,我们发现：离子的多体效应可能是影响高浓度Mg2+离子条件下RNA折叠稳定性的一种重要的效应。多体效应会减少总的束缚离子数,并轻微地改变束缚离子的分布。此外,多体效应具有RNA结构依赖性：一般来说,结构越紧致,束缚离子的密度越高,多体效应越强烈。尽管对于单价离子的多体效应相对较弱,但是通过与多价离子的竞争,单价离子浓度可调节多价离子的束缚,从而明显影响多体效应。
【作者】祝宇红；
【导师】叶高翔；陈世杰；
【作者基本信息】浙江大学，凝聚态物理，2014，博士
【关键词】RNA；多价离子；离子浓度；体效应；三级结构；热力学参数；folding；策略模式；离子溶液；自由能变化；

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