[論文レビュー] Computational modeling of RNA-protein binding interactions under an external force

Danielle Wampler, Ralf Bundschuh|arXiv (Cornell University)|Mar 23, 2026

Force Microscopy Techniques and Applications被引用数 0

ひとこと要約

論文はRNA二次構造モデル化、外力、RNA結合タンパク質の相互作用を統合した計算フレームワークを開発し、力-伸長挙動と濃度依存的結合を予測。既知の pulling データと結合定数による検証を行う。

ABSTRACT

RNA binding proteins play a crucial role in post-transcriptional gene regulation by controlling the transport, processing, and translation of their target RNAs. Post-transcriptional gene regulation leads to the differential expression of genetic material and loss of regulation or over-regulation relates to a large range of cancers and diseases - many of which have directly been associated with RNA binding proteins and their target RNAs. To understand RNA, RNA binding proteins, and how they function in gene expression, it is essential to characterize how RNA binding proteins interact with their target RNAs. Here, we aim to assess the potential for single molecule force spectroscopy experiments to be used in the characterization of RNA-protein binding by investigating to what extent a change of extension due to RNA-protein binding is experimentally measurable and what aspects of the interaction can be deduced from such measurements. We predict the effect of protein binding on RNA force extension measurements via the open-source ViennaRNA package, which we have modified to simultaneously consider an external force, protein binding, and RNA secondary structure. From this work, we see protein concentration-dependent responses to external forces with discernable differences in predicted extensions around biologically relevant concentrations and a connection to protein binding domain geometry for several RNA binding proteins.

研究の動機と目的

• RNA結合タンパク質が遺伝子調節におけるRNA構造と機能へ与える影響を理解するモチベーションを促進する。
• タンパク質結合を伴うRNAの力-伸長応答を予測する計算手法を開発する。
• ViennaRNAに外力とタンパク質-RNA相互作用を含める拡張を行う。
• 実験的結合定数と比較してRNA-タンパク質結合予測を検証する。
• RNA-タンパク質相互作用の力分光の実験的妥当性を示す。

提案手法

• 自由度のある連結鎖モデルを介して外力を含めるようViennaRNAを修正し、力依存分配関数を計算する。
• 分布関数を拡張してタンパク質のフットプリントとリガンド様結合を未構造領域に対して考慮し、RNA-タンパク質結合を組み込む。
• 力依存集合エネルギーG(F)を計算し、微分により力-伸長曲線R(F)を導出する。
• 力下でのタンパク質結合を許すよう、結合部位を結合フットプリントに対応する長さの単一ロッドとしてモデリングする。
• 濃度依存的Z(c)とG(c)を予測して、さまざまなタンパク質濃度下でのR(c)を得る。
• ポリ-Uおよびp5abヘアピンデータに対する引っぱりモデルを検証し、結合定数を実験測定と比較して評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 単一分子力分光法はRNA-タンパク質結合効果を測定できるか。
• RQ2 外力はRNAの構造とタンパク質結合エネルギーにどう影響するか。
• RQ3 モデルは生理的条件を反映した濃度依存的な力-伸長挙動を予測できるか。
• RQ4 予測される有効結合定数は実験測定値およびRBPBindのような既存ツールと一致するか。
• RQ5 力-伸長曲線のどの特徴（クロスオーバーポイントなど）が外力下での結合相互作用を示すか。

主な発見

• モデルは生物学的に関連するタンパク質濃度でRNA-タンパク質結合による力-伸長変化を予測可能である。
• 予測された濃度依存的力-伸長曲線は、伸長がタンパク質濃度に依存しなくなるクロスオーバーポイントを示す。
• モデルが予測するRNA-タンパク質結合定数は実験データと相関がある（比較のためのR^2値が報告されている）。
• RBPBind予測との強い一致（R^2 = 0.99）および実験測定との良好な整合性（R^2 = 0.85）。
• 既知のpullingデータ（ポリ-Uおよびp5abヘアピン）に対する検証は、外力下での力-伸長フレームワークを支持する。
• 対話的なタンパク質を含むRNA力分光は複数の配列とタンパク質に対して実験的に妥当であると示唆するシミュレーション実験。