24925.rna等生物分子相互作用與折疊特性研究

1、TheInteractionandFoldingofRNAsandOtherBiomoleculesbyYujieZhangDirectedbyProfessorWeiWangandJianZhangNationallaboratoryofSolidStateMicrostructureandDepartmentofPhysicsNanjingUniversityMay2011Submittedinpartialfulfilmentof

2、therequirements扣rthedegreeofPhDinPhysics基于上述考慮，在我們的第二個(gè)工作中，我們選擇了噬菌體T2的基因32對(duì)應(yīng)的mRNA作為研究對(duì)象，用分子動(dòng)力學(xué)方法研究了它的去折疊過程。這一mRNA結(jié)構(gòu)上是一個(gè)RNA贗結(jié)，是研究RNA折疊／去折疊過程的一個(gè)極好模型。這是因?yàn)橼I結(jié)結(jié)構(gòu)同時(shí)擁有二級(jí)和三級(jí)結(jié)構(gòu)，還包含諸如非規(guī)范堿基相互作用，三螺旋，螺旋共軸堆積，結(jié)構(gòu)應(yīng)力這些復(fù)雜的相互作用或結(jié)構(gòu)。此外，考慮到贗結(jié)特別的

3、空間拓?fù)浜推渲械姆且?guī)范相互作用是目前結(jié)構(gòu)采樣算法和自由能計(jì)算方法進(jìn)一步發(fā)展的主要障礙，研究贗結(jié)的折疊機(jī)制有可能為人們提供新的思路，幫助人們打開這一困局。我們的模擬結(jié)果表明，RNA贗結(jié)在折疊路徑和轉(zhuǎn)變態(tài)上都表現(xiàn)出極大的多樣性，暗示了被廣泛用于描述蛋白質(zhì)折疊／去折疊的兩態(tài)模型可能并不適用與這一結(jié)構(gòu)。模擬結(jié)果還表明，規(guī)范和非規(guī)范堿基對(duì)之間的耦合會(huì)影響結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，并且這種耦合決定了大部分折疊路徑的走向。模擬結(jié)果還給出了拉鏈機(jī)制，早期共軸堆積的

4、破壞，和結(jié)構(gòu)應(yīng)力驅(qū)動(dòng)早期去折疊過程的原子層次的圖像。此外，我們還研究了水分子在去折疊過程中的作用。我們發(fā)現(xiàn)在去折疊過程的早期，水分子主要通過兩種機(jī)制和RNA去折疊耦合，即expulsion和concurrent機(jī)制。并且，水分子可以介導(dǎo)核苷酸之間的相互作用，使最終的變性態(tài)結(jié)構(gòu)傾向于緊密堆積。我們這一研究工作是人們首次在全原子水平上對(duì)RNA贗結(jié)的去折疊行為進(jìn)行探討，它為RNA去折疊過程提供了前所未有的詳細(xì)的原子層次的圖像。這些圖像可以幫助

5、我們更深入的理解RNA的折疊動(dòng)力學(xué)，以及各種物理化學(xué)因素對(duì)這一過程的貢獻(xiàn)。并且，這一工作有可能為人們開發(fā)RNA結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)算法提供新的思路。在我們的第三個(gè)工作中，我們進(jìn)一步研究了噬菌體T2中基因32對(duì)應(yīng)的mRNA贗結(jié)的折疊／去折疊過程。為了得到對(duì)峨贗結(jié)的折疊自由能面，我們采用了一種高效的構(gòu)象空間采樣方法，即副本交換分子動(dòng)力學(xué)方法，進(jìn)行了大規(guī)模的并行模擬?？偟哪M時(shí)間約為164#s。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合多直方圖分析方法，我們給出了不同溫度下的自由

6、能面在序參量Q1和Q2上的投影。通過對(duì)這些自由能面的分析，觀察到了一個(gè)折疊中間態(tài)，在其空間結(jié)構(gòu)中，第一個(gè)螺旋基本保持穩(wěn)定，而第二個(gè)螺旋已經(jīng)去折疊。這一折疊中間態(tài)的存在表明，對(duì)于一些折疊路徑，折疊有可能遵從三態(tài)折疊機(jī)制。我們這一工作是用全原子動(dòng)力學(xué)模擬方法計(jì)算RNA贗結(jié)折疊／去折疊過程自由能面的首次嘗試。它給出了結(jié)構(gòu)中間態(tài)、轉(zhuǎn)變態(tài)和折疊／去折疊路徑的原子層次的信息。本論文內(nèi)容安排如下：在第一章中，我簡(jiǎn)單介紹了蛋白質(zhì)和RNA的基本結(jié)構(gòu)特征和