北京时间2021年3月11日，结构生物学高精尖创新中心薛毅课题组在《自然·通讯》（Nature Communications）杂志在线发表了题为《RNA化学位移的预测及其在研究RNA瞬态结构上的应用》（Chemical Shift Prediction of RNA Imino Groups: Application toward Characterizing RNA Excited States）的研究长文，报道了一个针对RNA亚氨基的化学位移预测方法。该方法对于RNA中由经典碱基对和GU配对组成的A型螺旋区域里亚氨基的化学位移预测具有很高的准确度。进一步，当核磁弛豫弥散实验与该预测方法结合后，RNA瞬态的二级结构能够被快速准确地确定。

化学位移是核磁共振（NMR）中最重要的物理观测量。它的数据获取相当方便，测量的精确度和可重复性都很高，而且对于生物大分子的结构变化非常敏感，因此成为获取大分子的结构和动态信息的重要数据来源。几十年来，如何准确预测化学位移一直是NMR研究中的一个基础并且关键的问题。一个准确的化学位移预测工具不仅能够简化繁杂的谱峰指认工作，更重要的是，它在生物大分子的结构解析和基于实验数据的结构建模方面有巨大的应用价值。目前对于蛋白质的化学位移预测已经有很多研究，但是对于RNA的化学位移预测却明显滞后，特别是缺乏可靠的针对RNA亚氨基团的预测工具。

亚氨基团是对RNA进行核磁测量的一种重要的检测“探针”，但是准确预测其化学位移预测具有相当大的难度。薛毅课题组发现对于RNA的A型螺旋区，一个亚氨基的化学位移是由其所在的配对以及紧邻的上下两对配对所共同决定的。这样的三对连续碱基对简称为碱基对三联体。通过采集几十个发卡RNA样品的化学位移数据，并将这些新数据与核磁公共数据库的已有数据结合，他们得到了一个从碱基对三联体查询亚氨基化学位移的查询表。该表能够用来预测处于碱基对三联体中央的亚氨基的化学位移，并具有很高的预测准确度（图1）。

科研成果 | 薛毅课题组在化学位移预测与RNA瞬态二级结构的研究中取得进展-肽度TIMEDOO
图1. a) “碱基对三联体”的定义；b) 发卡RNA的二级结构；c) 化学位移预测值与实验值的相关性（训练集）；d) 化学位移预测值与实验值的相关性（测试集）

他们还发现不同的碱基对三联体之间化学位移的差异能够通过半经验性模型的计算得到很好的解释（图2）。进一步，他们利用半经验性模型计算了部分非经典结构元件的亚氨基化学位移，也达到了相当高的预测准确度。这证明半经验计算模型未来有望能够被用来预测更复杂RNA结构的化学位移。

科研成果 | 薛毅课题组在化学位移预测与RNA瞬态二级结构的研究中取得进展-肽度TIMEDOO
图2. a) 化学位移的半经验公式计算值与化学位移实验值之间的相关性；b) 针对15N优化的化学位移半经验公式计算值与化学位移实验值之间的相关性

最后，他们还展示了该化学位移预测方法的一个运用实例，即用来确定RNA瞬态的二级结构。在溶液中，RNA除了存在稳定、高丰度的构象（基态）之外，往往还存在不太稳定、低丰度的构象（激发态，或者也称为瞬态），二者之间存在着构象切换。这种切换经常出现在大分子-配体的结合，折叠和去折叠，以及酶催化等重要的生物学过程。对于捕捉微秒到毫秒时间尺度的构象切换，核磁的弛豫弥散（RD）实验是强有力的手段。薛毅课题组通过对P5abc RNA运用15N R1r和1HN CEST实验，并结合亚氨基化学位移预测方法，证明了该策略的可靠性，并且证实了之前研究中猜测的G•G碱基错配的存在（图3）。

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图3 a) P5abc的二级结构切换；b) 15N R1r的RD数据；c) 1HN CEST的RD数据；d) P5abc瞬态里残基的亚氨基预测与实验化学位移值的比较

结构生物学高精尖创新中心薛毅研究员为本文通讯作者，薛毅课题组生命学院已毕业的博士生王艳娇为本文第一作者，生命学院博士生韩鸽以及科研助理姜修英参与了部分工作，北京大学药学院宇文泰然研究员在核磁实验的脉冲序列和实验设置上提供了重要帮助。本研究得到了北京市结构生物学高精尖创新中心和清华-北大生命科学联合中心的基金支持。核磁实验数据的采集在清华大学蛋白质研究中心核磁平台完成。

来源：结构生物学高精尖创新中心