清華新聞網(wǎng)4月18日電 RNA分子通過(guò)錯(cuò)綜復(fù)雜的堿基配對(duì)模式折疊成二級(jí)結(jié)構(gòu)，這些二級(jí)結(jié)構(gòu)是RNA行使催化、配體結(jié)合和支架等功能的基礎(chǔ)。準(zhǔn)確地測(cè)定RNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)對(duì)于理解其生物學(xué)功能以及調(diào)控機(jī)制至關(guān)重要。近年來(lái)，化學(xué)小分子探針被廣泛應(yīng)用于RNA二級(jí)結(jié)構(gòu)的探測(cè)，其中，selective 2′-hydroxyl acylation analyzed by primer extension（SHAPE）技術(shù)利用親電試劑對(duì)不同狀態(tài)堿基（配對(duì)或未配對(duì)）的修飾活性的差異來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)RNA二級(jí)結(jié)構(gòu)的探測(cè)。在SHAPE數(shù)據(jù)的分析中，如何合理地將SHAPE數(shù)據(jù)整合進(jìn)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)算法是一個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題。常用的工具，如RNAstructure，通常將SHAPE值轉(zhuǎn)化成每個(gè)配對(duì)核苷酸各自的偽自由能約束，進(jìn)而整合進(jìn)熱力學(xué)預(yù)測(cè)模型中預(yù)測(cè)出最終的結(jié)構(gòu)。這類(lèi)整合方法雖然顯著地提升了RNA二級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確度，但提升程度仍不能滿(mǎn)足研究者的需求，尤其是對(duì)長(zhǎng)RNA的結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)和對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化的捕捉。
清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院薛毅課題組致力于開(kāi)發(fā)新的計(jì)算及實(shí)驗(yàn)方法來(lái)研究生物大分子的結(jié)構(gòu)與動(dòng)態(tài)。在本項(xiàng)研究中，他們通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，對(duì)于同一類(lèi)型（發(fā)卡環(huán)、內(nèi)環(huán)和凸環(huán)）和長(zhǎng)度的環(huán)結(jié)構(gòu)元件而言，其通常具有某種特征性的SHAPE模式，即在某些核苷酸位置之間存在保守的SHAPE值高低趨勢(shì)。通過(guò)對(duì)環(huán)元件的三級(jí)結(jié)構(gòu)分析，他們發(fā)現(xiàn)上述特征性SHAPE模式可以反映出核苷酸對(duì)糖環(huán)構(gòu)象的偏好性。為了利用這種特征性SHAPE模式來(lái)提升RNA二級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確度，他們提出了SHAPELoop方法。該方法通過(guò)“評(píng)估-替換”的策略對(duì)傳統(tǒng)能量模型預(yù)測(cè)出的結(jié)構(gòu)（稱(chēng)為“指導(dǎo)結(jié)構(gòu)”）進(jìn)行改進(jìn)，以達(dá)到SHAPELoop預(yù)測(cè)出的結(jié)構(gòu)比指導(dǎo)結(jié)構(gòu)更加符合特征性SHAPE模式的目的（圖1）。
利用上述策略，SHAPELoop在預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確度上超過(guò)了傳統(tǒng)的偽自由能預(yù)測(cè)模型（RNAstructure和RME）以及“采樣-選擇”模型（SeqFold）。此外，他們也發(fā)現(xiàn)特征性SHAPE模式可以幫助鑒定假結(jié)結(jié)構(gòu)以及RNA二級(jí)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化。
SHAPELoop方法框架
該研究工作于2021年4月13日在《核酸研究》（Nucleic Acids Research）期刊上發(fā)表，題為“環(huán)結(jié)構(gòu)元件的特征性化學(xué)探測(cè)數(shù)據(jù)模式及其對(duì)RNA二級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度的改善”（Characteristic chemical probing patterns of loop motifs improve prediction accuracy of RNA secondary structures）。清華大學(xué)生命學(xué)院薛毅研究員為本文通訊作者，清華大學(xué)生命學(xué)院博士生曹靜怡為本文第一作者。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)新中心的經(jīng)費(fèi)支持。
論文鏈接：
https://academic.oup.com/nar/advance-article/doi/10.1093/nar/gkab250/6225227
供稿：生命學(xué)院
編輯：李華山
審核：呂婷
