北京時間2021年3月11日，結構生物學高精尖創(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化學位移的預測及其在研究RNA瞬態(tài)結構上的應用》（Chemical Shift Prediction of RNA Imino Groups: Application toward Characterizing RNA Excited?States）的研究長文，報道了一個針對RNA亞氨基的化學位移預測方法。該方法對于RNA中由經(jīng)典堿基對和GU配對組成的A型螺旋區(qū)域里亞氨基的化學位移預測具有很高的準確度。進一步，當核磁弛豫彌散實驗與該預測方法結合后，RNA瞬態(tài)的二級結構能夠被快速準確地確定。
化學位移是核磁共振（NMR）中最重要的物理觀測量。它的數(shù)據(jù)獲取相當方便，測量的精確度和可重復性都很高，而且對于生物大分子的結構變化非常敏感，因此成為獲取大分子的結構和動態(tài)信息的重要數(shù)據(jù)來源。幾十年來，如何準確預測化學位移一直是NMR研究中的一個基礎并且關鍵的問題。一個準確的化學位移預測工具不僅能夠簡化繁雜的譜峰指認工作，更重要的是，它在生物大分子的結構解析和基于實驗數(shù)據(jù)的結構建模方面有巨大的應用價值。目前對于蛋白質(zhì)的化學位移預測已經(jīng)有很多研究，但是對于RNA的化學位移預測卻明顯滯后，特別是缺乏可靠的針對RNA亞氨基團的預測工具。
亞氨基團是對RNA進行核磁測量的一種重要的檢測“探針”，但是準確預測其化學位移預測具有相當大的難度。薛毅課題組發(fā)現(xiàn)對于RNA的A型螺旋區(qū)，一個亞氨基的化學位移是由其所在的配對以及緊鄰的上下兩對配對所共同決定的。這樣的三對連續(xù)堿基對簡稱為堿基對三聯(lián)體。通過采集幾十個發(fā)卡RNA樣品的化學位移數(shù)據(jù)，并將這些新數(shù)據(jù)與核磁公共數(shù)據(jù)庫的已有數(shù)據(jù)結合，他們得到了一個從堿基對三聯(lián)體查詢亞氨基化學位移的查詢表。該表能夠用來預測處于堿基對三聯(lián)體中央的亞氨基的化學位移，并具有很高的預測準確度（圖1）。
圖1. a) “堿基對三聯(lián)體”的定義；b) 發(fā)卡RNA的二級結構；c)?化學位移預測值與實驗值的相關性（訓練集）；d)?化學位移預測值與實驗值的相關性（測試集）
他們還發(fā)現(xiàn)不同的堿基對三聯(lián)體之間化學位移的差異能夠通過半經(jīng)驗性模型的計算得到很好的解釋（圖2）。進一步，他們利用半經(jīng)驗性模型計算了部分非經(jīng)典結構元件的亞氨基化學位移，也達到了相當高的預測準確度。這證明半經(jīng)驗計算模型未來有望能夠被用來預測更復雜RNA結構的化學位移。
圖2. a)?化學位移的半經(jīng)驗公式計算值與化學位移實驗值之間的相關性；b) 針對15N優(yōu)化的化學位移半經(jīng)驗公式計算值與化學位移實驗值之間的相關性
最后，他們還展示了該化學位移預測方法的一個運用實例，即用來確定RNA瞬態(tài)的二級結構。在溶液中，RNA除了存在穩(wěn)定、高豐度的構象（基態(tài)）之外，往往還存在不太穩(wěn)定、低豐度的構象（激發(fā)態(tài)，或者也稱為瞬態(tài)），二者之間存在著構象切換。這種切換經(jīng)常出現(xiàn)在大分子-配體的結合，折疊和去折疊，以及酶催化等重要的生物學過程。對于捕捉微秒到毫秒時間尺度的構象切換，核磁的弛豫彌散（RD）實驗是強有力的手段。薛毅課題組通過對P5abc RNA運用15N R1r和1HN CEST實驗，并結合亞氨基化學位移預測方法，證明了該策略的可靠性，并且證實了之前研究中猜測的G?G堿基錯配的存在（圖3）。
圖3 a) P5abc的二級結構切換；b) 15N R1r的RD數(shù)據(jù)；c) 1HN CEST的RD數(shù)據(jù)；d) P5abc瞬態(tài)里殘基的亞氨基預測與實驗化學位移值的比較
