Сворачивание многоспиральной цепи РНК частный случай задачи докинга

Эта статья — часть материалов: проекта RNAInSpace

Проблематика

Моделирование промежуточных стадий сворачивания

При получении третичной структуры, которая получается во время сворачивания, часто внимание уделяется только получению конечного состояний - свернутого состояния. Но получить свернутое состояние не пройдя так или иначе промежуточные состояния, то есть не моделируя сам ход сворачивания — невозможно. Надо, конечно, понимать, что мы принципиально не сможем промоделировать процесс сворачивания так как он идет в природе. На это есть как минимум две причины: (1) сворачивание разных частей РНК происходит параллельно, (2) сворачивание это такой же стохастический процесс как и "бурление воды в сильном потоке" (сравнимый с турбулентностью).

Потому нужно идеализировать этот процесс, разложив на последовательные шаги и найдя такие принципы, которые управляют стахостичностью во время сворачивания. Такие принципы, конечно связаны с гравитацией, а в частности с гидрофобностью. Но моделировать такие процессы статистически, как это часто делают ориентируясь на минимум энергии, бесперспективно. В лучшем случае тогда можно получить только очень грубые модели, и не понять причин процесса сворачивания.

Поэтому нужно ориентироваться на такие взаимодействия, которые определяют связи между конкретными атомами. Назовем их точечными взаимодействиями. Примером таких взаимодействий могут служить водородные связи, которые возникают явным образом между двумя атомами, и сильно определяют стабильность третичной структуры. Для коротких фрагментов из одной спирали, достаточно моделировать только их, не учитывая прочие взаимодействия. Но для больших фрагментов РНК, состоящих хотя бы из двух спиралей процесс сворачивания становится сложнее.

Во-первых, в статье «Сравнение двух рибозимов» показано, что существуют такие водородные связи, которые удерживают две петли (L1 и L2) вместе, определяя их взаимное расположение.

Во-вторых, ориентирование на водородные связи, которые имеются в конечной стабильной третичной структуре может быть недостаточным. Это связано с тем, что во время сворачивания из произвольного состояния (а РНК в процессе сворачивания в мелких деталях именно произвольно), существует большая вероятность того, что цепь начнет сворачивается в "неправильном направлении". То есть так, что попадет в такое состояние из которого уже будет невозможно "выбраться" и сформировать конечное стабильное состояние.

Недостаточность свободы колебаний при моделировании

Вторичная структура фрагмента RZ+ рибозима NC_003540.

Из статьи, о которой подробнее можно прочитать тут Анализ статьи: Исследование стратегий для моделирования путей сворачивания рибонуклеиновой кислоты.

Основная же проблема связана с конструированием водородной связи a44 - u20. Дело в том, что наличие связей a44 - u15, и главное, связей спиралей c14-g22, c13-g23, c40-g47, c39-g48, так сильно ограничивает возможность вращения нуклеотидов между нуклеотидами u20 и a44, что невозможно занять требуемые положения никакими возможными последовательными поворотами. (см. также Свобода колебаний в свернутой спирали РНК).

В реальности же рибозим имеет требуемую свободу вращения, даже при фиксировании описанных водородных связей. Поэтому проблема состоит в том, что используется упрощенное моделирование, аналогичное применяемому в работе [2] и в целом в программном обеспечении проекта rosseta@home. Дело в том, что при таком моделировании РНК представляется как дерево с множеством ветвей. И когда осуществляется один поворот, например в 21 нуклеотиде, то неподвижными остаются только нуклеотиды от 1 до 20, а все нуклеотиды после 22-го изменяют свое положение в соответствии с поворотом. Если же при этом требуется сохранить уже образованные водородные связи c14-g22, c13-g23, c40-g47, c39-g48, то это становится невозможным. Это следствие того, что эти водородные связи находятся после 21-го нуклеотида, и соответственно, в моделировании они рвутся. Это является фундаментальной проблемой при моделировании сворачивания белков и РНК и является основной причиной, почему невозможно качественно смоделировать многоспиральные цепи белков или РНК.

Приведение к задаче докинга

Докинг — это метод молекулярного моделирования, который позволяет предсказать наиболее выгодную для образования устойчивого комплекса ориентацию и положение одной молекулы по отношению к другой. Большая часть программ для теоретической стыковки белков работает по следующему принципу: один белок фиксируется в пространстве, а второй поворачивается вокруг него разнообразными способами.

...