北京時(shí)間2021年3月11日，結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心薛毅課題組在《自然·通訊》（Nature Communications）雜志在線發(fā)表了題為《RNA化學(xué)位移的預(yù)測(cè)及其在研究RNA瞬態(tài)結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用》（Chemical Shift Prediction of RNA Imino Groups: Application toward Characterizing RNA Excited?States）的研究長(zhǎng)文，報(bào)道了一個(gè)針對(duì)RNA亞氨基的化學(xué)位移預(yù)測(cè)方法。該方法對(duì)于RNA中由經(jīng)典堿基對(duì)和GU配對(duì)組成的A型螺旋區(qū)域里亞氨基的化學(xué)位移預(yù)測(cè)具有很高的準(zhǔn)確度。進(jìn)一步，當(dāng)核磁弛豫彌散實(shí)驗(yàn)與該預(yù)測(cè)方法結(jié)合后，RNA瞬態(tài)的二級(jí)結(jié)構(gòu)能夠被快速準(zhǔn)確地確定。
化學(xué)位移是核磁共振（NMR）中最重要的物理觀測(cè)量。它的數(shù)據(jù)獲取相當(dāng)方便，測(cè)量的精確度和可重復(fù)性都很高，而且對(duì)于生物大分子的結(jié)構(gòu)變化非常敏感，因此成為獲取大分子的結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)信息的重要數(shù)據(jù)來(lái)源。幾十年來(lái)，如何準(zhǔn)確預(yù)測(cè)化學(xué)位移一直是NMR研究中的一個(gè)基礎(chǔ)并且關(guān)鍵的問(wèn)題。一個(gè)準(zhǔn)確的化學(xué)位移預(yù)測(cè)工具不僅能夠簡(jiǎn)化繁雜的譜峰指認(rèn)工作，更重要的是，它在生物大分子的結(jié)構(gòu)解析和基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)建模方面有巨大的應(yīng)用價(jià)值。目前對(duì)于蛋白質(zhì)的化學(xué)位移預(yù)測(cè)已經(jīng)有很多研究，但是對(duì)于RNA的化學(xué)位移預(yù)測(cè)卻明顯滯后，特別是缺乏可靠的針對(duì)RNA亞氨基團(tuán)的預(yù)測(cè)工具。
亞氨基團(tuán)是對(duì)RNA進(jìn)行核磁測(cè)量的一種重要的檢測(cè)“探針”，但是準(zhǔn)確預(yù)測(cè)其化學(xué)位移預(yù)測(cè)具有相當(dāng)大的難度。薛毅課題組發(fā)現(xiàn)對(duì)于RNA的A型螺旋區(qū)，一個(gè)亞氨基的化學(xué)位移是由其所在的配對(duì)以及緊鄰的上下兩對(duì)配對(duì)所共同決定的。這樣的三對(duì)連續(xù)堿基對(duì)簡(jiǎn)稱為堿基對(duì)三聯(lián)體。通過(guò)采集幾十個(gè)發(fā)卡RNA樣品的化學(xué)位移數(shù)據(jù)，并將這些新數(shù)據(jù)與核磁公共數(shù)據(jù)庫(kù)的已有數(shù)據(jù)結(jié)合，他們得到了一個(gè)從堿基對(duì)三聯(lián)體查詢亞氨基化學(xué)位移的查詢表。該表能夠用來(lái)預(yù)測(cè)處于堿基對(duì)三聯(lián)體中央的亞氨基的化學(xué)位移，并具有很高的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度（圖1）。
圖1. a) “堿基對(duì)三聯(lián)體”的定義；b) 發(fā)卡RNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)；c)?化學(xué)位移預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值的相關(guān)性（訓(xùn)練集）；d)?化學(xué)位移預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值的相關(guān)性（測(cè)試集）
他們還發(fā)現(xiàn)不同的堿基對(duì)三聯(lián)體之間化學(xué)位移的差異能夠通過(guò)半經(jīng)驗(yàn)性模型的計(jì)算得到很好的解釋（圖2）。進(jìn)一步，他們利用半經(jīng)驗(yàn)性模型計(jì)算了部分非經(jīng)典結(jié)構(gòu)元件的亞氨基化學(xué)位移，也達(dá)到了相當(dāng)高的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度。這證明半經(jīng)驗(yàn)計(jì)算模型未來(lái)有望能夠被用來(lái)預(yù)測(cè)更復(fù)雜RNA結(jié)構(gòu)的化學(xué)位移。
圖2. a)?化學(xué)位移的半經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值與化學(xué)位移實(shí)驗(yàn)值之間的相關(guān)性；b) 針對(duì)15N優(yōu)化的化學(xué)位移半經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值與化學(xué)位移實(shí)驗(yàn)值之間的相關(guān)性
最后，他們還展示了該化學(xué)位移預(yù)測(cè)方法的一個(gè)運(yùn)用實(shí)例，即用來(lái)確定RNA瞬態(tài)的二級(jí)結(jié)構(gòu)。在溶液中，RNA除了存在穩(wěn)定、高豐度的構(gòu)象（基態(tài)）之外，往往還存在不太穩(wěn)定、低豐度的構(gòu)象（激發(fā)態(tài)，或者也稱為瞬態(tài)），二者之間存在著構(gòu)象切換。這種切換經(jīng)常出現(xiàn)在大分子-配體的結(jié)合，折疊和去折疊，以及酶催化等重要的生物學(xué)過(guò)程。對(duì)于捕捉微秒到毫秒時(shí)間尺度的構(gòu)象切換，核磁的弛豫彌散（RD）實(shí)驗(yàn)是強(qiáng)有力的手段。薛毅課題組通過(guò)對(duì)P5abc RNA運(yùn)用15N R1r和1HN CEST實(shí)驗(yàn)，并結(jié)合亞氨基化學(xué)位移預(yù)測(cè)方法，證明了該策略的可靠性，并且證實(shí)了之前研究中猜測(cè)的G?G堿基錯(cuò)配的存在（圖3）。
圖3 a) P5abc的二級(jí)結(jié)構(gòu)切換；b) 15N R1r的RD數(shù)據(jù)；c) 1HN CEST的RD數(shù)據(jù)；d) P5abc瞬態(tài)里殘基的亞氨基預(yù)測(cè)與實(shí)驗(yàn)化學(xué)位移值的比較
