生命學(xué)院薛毅課題組在化學(xué)位移預(yù)測(cè)與RNA瞬態(tài)二級(jí)結(jié)構(gòu)的研究中取得進(jìn)展
化學(xué)位移是核磁共振（NMR）中最重要的物理觀測(cè)量。它的數(shù)據(jù)獲取相當(dāng)方便，測(cè)量的精確度和可重復(fù)性都很高，而且對(duì)于生物大分子的結(jié)構(gòu)變化非常敏感，因此成為獲取大分子的結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)信息的重要數(shù)據(jù)來(lái)源。幾十年來(lái)，如何準(zhǔn)確預(yù)測(cè)化學(xué)位移一直是NMR研究中的一個(gè)基礎(chǔ)并且關(guān)鍵的問(wèn)題。一個(gè)準(zhǔn)確的化學(xué)位移預(yù)測(cè)工具不僅能夠簡(jiǎn)化繁雜的譜峰指認(rèn)工作，更重要的是，它在生物大分子的結(jié)構(gòu)解析和基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)建模方面有巨大的應(yīng)用價(jià)值。目前對(duì)于蛋白質(zhì)的化學(xué)位移預(yù)測(cè)已經(jīng)有很多研究，但是對(duì)于RNA的化學(xué)位移預(yù)測(cè)卻明顯滯后，特別是缺乏可靠的針對(duì)RNA亞氨基團(tuán)的預(yù)測(cè)工具。
清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院薛毅課題組一直致力于運(yùn)用以核磁共振為主的實(shí)驗(yàn)技術(shù)并結(jié)合計(jì)算方法來(lái)研究生物大分子的結(jié)構(gòu)與動(dòng)態(tài)。亞氨基團(tuán)是對(duì)RNA進(jìn)行核磁測(cè)量的重要檢測(cè)“探針”，但是準(zhǔn)確預(yù)測(cè)其化學(xué)位移預(yù)測(cè)具有較大的難度。在本項(xiàng)研究中，他們發(fā)現(xiàn)對(duì)于RNA的A型螺旋區(qū)，一個(gè)亞氨基的化學(xué)位移是由其所在的配對(duì)以及緊鄰的上下兩對(duì)配對(duì)所共同決定的。這樣的三對(duì)連續(xù)堿基對(duì)可以簡(jiǎn)稱為堿基對(duì)三聯(lián)體。通過(guò)采集幾十個(gè)發(fā)卡RNA樣品的化學(xué)位移數(shù)據(jù)，并將這些新數(shù)據(jù)與核磁公共數(shù)據(jù)庫(kù)的已有數(shù)據(jù)結(jié)合，他們得到了一個(gè)從堿基對(duì)三聯(lián)體查詢亞氨基化學(xué)位移的查詢表，該表能夠用來(lái)預(yù)測(cè)處于堿基對(duì)三聯(lián)體中央的亞氨基的化學(xué)位移，并具有很高的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度（圖1）。他們還發(fā)現(xiàn)不同的堿基對(duì)三聯(lián)體之間化學(xué)位移的差異能夠通過(guò)半經(jīng)驗(yàn)性模型的計(jì)算得到很好的解釋。進(jìn)一步，他們利用半經(jīng)驗(yàn)性模型計(jì)算了部分非經(jīng)典結(jié)構(gòu)元件的亞氨基化學(xué)位移，也達(dá)到了相當(dāng)高的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度。這證明半經(jīng)驗(yàn)計(jì)算模型未來(lái)有望能夠被用來(lái)預(yù)測(cè)更復(fù)雜RNA結(jié)構(gòu)的化學(xué)位移。最后，他們還展示了該化學(xué)位移預(yù)測(cè)方法的一個(gè)運(yùn)用實(shí)例，即用來(lái)確定RNA瞬態(tài)的二級(jí)結(jié)構(gòu)。他們通過(guò)運(yùn)用15N R1r和1HN CEST核磁弛豫彌散實(shí)驗(yàn)，并結(jié)合亞氨基化學(xué)位移預(yù)測(cè)方法，成功驗(yàn)證了P5abc RNA瞬態(tài)的二級(jí)結(jié)構(gòu)，并且證實(shí)了之前研究中猜測(cè)的G?G堿基錯(cuò)配的存在。
圖1. a) “堿基對(duì)三聯(lián)體”的定義；b) 發(fā)卡RNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)；c) 化學(xué)位移預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值的相關(guān)性（訓(xùn)練集）；d) 化學(xué)位移預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值的相關(guān)性（測(cè)試集）。
該研究工作2021年3月11日在《自然通訊》（Nature Communications）刊物上發(fā)表，題為“RNA化學(xué)位移的預(yù)測(cè)及其在研究RNA瞬態(tài)結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用”（Chemical Shift Prediction of RNA Imino Groups: Application toward Characterizing RNA Excited States）。清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院薛毅研究員為本文通訊作者，生命科學(xué)學(xué)院已畢業(yè)的博士生王艷嬌為本文第一作者，生命科學(xué)學(xué)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(xué)藥學(xué)院宇文泰然研究員在核磁實(shí)驗(yàn)的脈沖序列和實(shí)驗(yàn)設(shè)置上提供了重要幫助。本研究得到了清華-北大生命科學(xué)聯(lián)合中心和北京市結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心的基金支持。核磁實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集在清華大學(xué)蛋白質(zhì)研究中心核磁平臺(tái)完成。
原文鏈接為：https://www.nature.com/articles/s41467-021-21840-x。
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