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来源：研之成理收集编辑：赵蕴杰教授团队
https://doi.org/10.3390/ijms24065497
RNA通过口袋与其他分子相互作用来执行其生物学功能，并且RNA的结构柔性导致口袋会发生很大的构象变化。现有的算法只能识别静态口袋或依据分子动力学轨迹表征口袋的几何演变，却没有对口袋的构象柔性进行量化。我们提出一个用于RNA口袋柔性研究的粗粒化网络模型，描述了口袋拓扑变化和柔性机制。RNA的构象动力学在多种生命过程中发挥着至关重要的作用。例如内部核糖体进入位点（IRES）是丙型肝炎病毒基因组RNA中高度保守的结构元件，丙型肝炎复制子苯并咪唑抑制剂通过构象诱导IRES子域IIa的螺旋间角变宽来抑制翻译。由于RNA的构象动态特性，相关实验方法测定RNA结构多有局限。例如，在X射线晶体学中RNA较难结晶，在核磁共振实验中RNA核磁谱重叠严重，且测定RNA分子大小有限。同样，现存的分子对接计算方法很少考虑RNA受体在结合其他分子时经历的构象变化，预测准确性受到RNA柔性的限制。RMSF可以在原子水平表征口袋柔性，但是它忽略了口袋的拓扑特征，如体积、表面积、球形度。因此，亟需描述RNA口袋拓扑柔性的新方法，助力结构预测和药物设计研究。RPflex通过粗粒化格点模型从全局上定量描述口袋构象变化。首先，探测复合物的所有核磁结构模式中的RNA口袋并置于3D网格上，计算任意两个口袋之间的相似度。然后，将第一个核磁结构上的口袋作为参考构象，并根据相似度截断值将口袋依据参考位置聚类成不同组别。最后，引入柔性分数(Q)从空间位置变化和拓扑特征变化两个方面描述聚类小组的口袋柔性。论文根据柔性分数将口袋分成三个类别：刚性(0＜Q≤0.3),中等柔性(0.3＜Q≤0.6),柔性(0.6＜Q)，并将3154个RNA口袋根据相似度聚类成297个口袋小组，分成3个测试集（I-III）。结果表明，柔性分数和RMSF有强的相关性，在三个测试集中的皮尔逊相关系数分别是0.60，0.76，0.53。因此，口袋柔性分数可以反映口袋的构象变化，作为柔性划分的可靠指标。RPflex可以通过网络模型分析核苷酸间相互作用揭示柔性机制。测试集IV结果表明，网络模型中的网络直径和平均路径长度与结构柔性的关联性较高。进一步，可以通过计算主链间氢键相互作用网络描述RNA的构象折叠，判断结构的柔性变化，碱基间的氢键相互作用网络可以稳定RNA结构。论文分析了结合口袋和非结合口袋的柔性分布。结果表明，小分子结合口袋大多数在刚性(65.7%)和中等柔性(34.3%)中分布,而蛋白质结合口袋的分布较广，刚性(50.4%)与柔性(14.4%)中均有分布。刚性小分子结合口袋的体积小于中等柔性的小分子结合口袋的体积。小分子偏好于结合于体积在527~1338A°3之间且表面积在364~759A°2之间的刚性口袋，和体积在899~2381A°3之间且表面积在638~1248A°2之间的中等柔性口袋。在这项工作中，论文开发了RPflex粗粒化网络模型量化口袋的柔性特征。结果表明，小分子结合口袋比蛋白质结合口袋更倾向于刚性。碱基间氢键相互作用网络可以稳定RNA结构，核糖-核糖间范德华相互作用网络会进一步优化结构。论文建立了一个口袋结构数据集，提供口袋拓扑性质和柔性特征信息。口袋柔性分析将有助于靶向口袋抑制剂等的相关研究。赵蕴杰，华中师范大学物理科学与技术学院教授，博士生导师。主要研究方向为软凝聚态与生物物理方向，发展了软物质生物分子相互作用预测、结构预测和靶向药物设计等物理模型，在Nature Immunology，Nature Communications等刊物上发表SCI（《科学引文索引》）论文50余篇，有3项授权国家发明专利，著有“十三五”国家重点出版物《生物分子大数据分析》。受邀担任Frontiers in Genetics和Life等期刊的客座编辑，Physical Reviews等10余个国际学术期刊审稿人。主持多项国家自然科学基金和省部级自然科学基金，入选2项省部级人才支持计划。卓晨，华中师范大学物理科学与技术学院2021级硕士研究生。研究方向为RNA口袋柔性研究及识别机制。目前以第一作者身份发表SCI论文1篇。https://www.mdpi.com/1422-0067/24/6/5497更多科研作图、软件使用、表征分析、SCI 写作、名师介绍等干货知识请进入后台自主查询。