《大分子擁擠對RNA-離子相互作用影響的研究》是依託武漢大學，由譚志傑擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：大分子擁擠對RNA-離子相互作用影響的研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：譚志傑
- 依託單位：武漢大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
RNA是具有重要功能的生物大分子，一方面，RNA帶有高密度的負電荷，其結構性質強烈依賴於RNA-離子靜電作用，另一方面，RNA處於大分子擁擠的複雜細胞環境中，大分子擁擠對RNA摺疊的離子效應有重要影響，但對此問題的研究國際上還處於初始階段。本項目中，我們將系統研究大分子擁擠環境中RNA-離子相互作用。首先，將拓展我們建立的統計力學（緊束縛離子，TBI）模型, 預測擁擠環境中RNA的離子凝聚和離子分布；其次，將利用拓展的TBI模型並結合計算機模擬預測大分子擁擠對RNA螺旋間電相互作用的影響；第三，將研究大分子擁擠對RNA三級摺疊中靜電轟塌態形成的影響；最後，將構建簡化RNA三級摺疊物理模型，研究大分子擁擠對RNA三級摺疊中離子效應的影響。本項目將廣泛考慮不同大分子擁擠環境以及離子條件等因素，並將與相關實驗比較。本項研究將促進對細胞內大分子擁擠環境中RNA摺疊的離子效應及其物理機制的全面理解。
結題摘要
RNA是具有重要功能的生物大分子，一方面，RNA帶有高密度的負電荷，其結構性質強烈依賴於RNA-離子靜電作用，另一方面，RNA處於大分子擁擠的細胞環境中，大分子擁擠對RNA摺疊中的離子效應有重要影響。圍繞上述問題，在本項目中，我們做了如下工作：（1）發展了適用於全原子核酸結構的緊束縛離子（TBI）理論，針對構建的簡化結構模型，利用TBI理論研究了RNA結構塌縮中的離子效應和大分子擁擠效應，發現鎂離子導致的靜電塌縮態的效率比鈉離子高上百倍，三級作用越強，結構摺疊所需的離子濃度更低，進一步發現大分子擁擠可顯著提高離子在RNA摺疊中的鈉、鎂離子的效率，與相關實驗相符；（2）利用蒙特卡洛方法結合贗彈簧法和熱力學積分法，系統研究了帶電分子間相互作用中的離子效應及多體擁擠效應對此相互作用的影響，發現僅在高濃度單價鹽溶液時，帶電分子間有效作用才是可加性的，而其不可加性的具體情形與離子價數、濃度以及帶電分子的電荷密度緊密相關；（3）發展了能預測擁擠環境下RNA摺疊的粗粒化模型，此模型可以較好預測小RNA分子（＜70nt）的三維結構、RNA髮夾熱力學及其中的鈉、鎂離子效應，關於小分子RNA結構、熱力學以及柔性的預測與廣泛實驗結果一致；（4）利用全原子分子動力學方法，系統研究了具有生物功能重要性的短鏈DNA雙螺旋的柔性，結合蠕蟲鏈模型，揭示了短鏈DNA高柔性來自於其末端6個鹼基對的高柔性，並得到了短鏈DNA持久長度的經驗公式，進一步對比研究了短鏈DNA和RNA柔性的異同並揭示了其微觀機制；（5）利用全原子分子動力學，預測了高價離子溶液中短鏈DNA-DNA間和短鏈RNA-RNA間的相互作用，並分析得到了造成其間不同相互作用的微觀機制與其不同螺旋的拓撲結構導致的不同離子凝聚模式相關，進一步我們研究了二價離子溶液中雙鏈DNA間與三鏈DNA間相互作用的異同並分析了其機制；（6）針對具有拉伸彈性的RNA/DNA-like半彈性鏈，推導了其輪廓長度和端-端距離分布函式的解析表達式，與蒙特卡洛和全原子模擬的對比顯示其能很好描述短鏈RNA和DNA輪廓長度和端-端距離分布。上述研究結果已達到本項目設定的研究目標，後續有關研究將會繼續進行。
