短鏈核酸螺旋-螺旋相互作用中離子效應的研究

《短鏈核酸螺旋-螺旋相互作用中離子效應的研究》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：短鏈核酸螺旋-螺旋相互作用中離子效應的研究
• 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

螺旋（helix）是核酸複雜結構中的基本組成單元，金屬離子，特別是高價離子媒介的短鏈螺旋間相互作用對於RNA摺疊至關重要因而近來備受關注。然而，現有理論無法較好的處理核酸複雜結構與高價離子間的靜電作用，為此我們建立了緊束縛離子(TBI)模型。與廣泛實驗比較顯示，TBI模型較好的預測了鈉、鎂離子對RNA/DNA簡單結構形成熱力學的貢獻。最近，此模型已被拓展來預測複雜全原子核酸結構的靜電性質。本項目中，我們將繼續最佳化TBI模型並結合此模型和蒙特卡洛方法全面研究短鏈核酸螺旋-螺旋相互作用中的離子效應，包括離子濃度、價數、尺寸和凝聚親和性效應以及其中的螺旋長度效應和螺旋多體效應。進一步，通過構建簡化的RNA摺疊結構模型，研究RNA靜電轟塌態形成中的離子效應及其物理機制，並將與相關實驗定量比較。本項研究將促進對短鏈核酸螺旋-螺旋靜電作用和RNA摺疊靜電轟塌態中離子效應的預測及其物理機制的全面理解。

結題摘要

由於核酸（DNA、RNA）骨架上帶有高密度負電荷，短鏈核酸間的靜電相互作用對RNA摺疊結構、熱力學及動力學至關重要。本項目聚焦短鏈核酸間電相互作用及RNA摺疊中的離子效應，特別是高價離子效應，做了如下主要工作：（1）發展了適用於全原子核酸結構的緊束縛離子（TBI）理論，定量預測了小分子RNA三級結構穩定性中離子的效應，並通過系統的計算得到了小分子RNA三級結構穩定性與鈉、鎂離子濃度的定量經驗公式；（2）構建簡化的雙螺旋結構模型模擬RNA結構摺疊，利用TBI理論研究了RNA結構塌縮中的離子效應，發現鎂離子導致的靜電塌縮態的效率比鈉離子高上百倍，而且鎂離子媒介的靜電塌縮態比鈉離子媒介的靜電塌縮態相對有序；（3）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的離子效應及其多體效應，發現僅在高濃度單價鹽溶液時，帶電分子間有效作用的可加性才成立，而其不可加性的具體情形與鹽離子濃度、價數以及帶電分子的電荷密度相關；（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高柔性的內在機制，並得到了短鏈DNA屈服長度的經驗公式；（5）利用全原子分子動力學，預測了短鏈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相關；（6）發展了預測RNA三維結構、熱力學和離子效應的粗粒化模型，對小分子RNA（＜50 nt）的結構預測以及對RNA髮夾結構的熱力學及其中鹽離子效應的預測與廣泛實驗結果一致。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。