[논문 리뷰] RNA folding landscapes from explicit solvent all-atom simulations

Gianmarco Lazzeri, Cristian Micheletti외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 05. 25.

RNA and protein synthesis mechanisms인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 모든 원자 해상도에서 액체 용매 상에서 RNA 접힘 현상을 시뮬레이션하기 위해 라쳇-앤드-펄 모드 동역학(ratchet-and-pawl molecular dynamics, rMD)과 편향 기능(Bias Functional, BF) 필터링을 사용한 변분 강화 경로 샘플링 방법을 제안한다. 이는 작은 단순 구조를 가진 RNA에서도 자유 에너지 경관에서 상당한 괴로움(frustration)이 존재함을 드러내며, 실험 결과 및 군집 모델과의 일치를 보이며 접힘 동역학과 열역학에 대한 원자 수준의 통찰을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Atomically detailed simulations of RNA folding have proven very challenging in view of the difficulties of developing realistic force fields and the intrinsic computational complexity of sampling rare conformational transitions. To tackle both these issues, we extend to RNA an enhanced path sampling method previously successfully applied to proteins. In this scheme, the information about the RNA's native structure is harnessed by a soft history-dependent biasing force, which is added to the atomistic force field, thus promoting the generation of productive folding trajectories. Here, we report on the results of simulations in explicit solvent of RNA molecules from 20 to 47 nucleotides long and increasing topological complexity. From a statistical analysis of the folding pathways we infer that, differently from proteins, the underlying free energy landscape is significantly frustrated, even for relatively small chains with a simple topology. The folding mechanism and the thermodynamics are in agreement with the available experiments and some of the existing coarse-grained models. This scheme provides a fully microscopic characterization of RNA folding, relating the kinetics and dynamics of the transition to the chemistry of the chain and its solvent. Therefore, it provides a transferable framework that sets the stage for future translational applications.

연구 동기 및 목표

• 모든 원자 해상도에서 액체 용매 조건에서 RNA 접힘 시뮬레이션을 수행하는 데 발생하는 계산적 과제를 해결하기 위해.
• 기존의 힘장과 희귀한 구조적 전이의 샘플링 비효율성의 한계를 해결하기 위해.
• RNA 접힘 동역학과 열역학을 연구하기 위한 이식 가능하고 원자 수준의 정밀한 프레임워크를 제공하기 위해.
• 실험 데이터 및 군집 모델과의 비교를 통해 방법의 물리적 타당성을 검증하기 위해.
• 접힘 동역학을 RNA의 화학적 세부 사항과 그 용매 환경과 연결하여 향후 번역적 응용을 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 역사 의존적 편향력이 작용하는 라쳇-앤드-펄 모드 동역학(ratchet-and-pawl molecular dynamics, rMD)을 사용하여 후진 이동을 방지하고 생산적인 접힘 경로를 촉진하였다.
• 원자 간 거리 기반의 접촉 맵 오버랩을 기반으로 한 집단 변수(CV)를 사용하여 접힘 경로를 유도하였으며, 이는 $\tilde{q}(X) = \frac{\sum'_{i>j} (C_{ij}(X) - C^{0}_{ij})^2}{\sum'_{i,j} C^{0\,2}_{ij}}$ 로 정의되었다.
• 경로의 품질을 평가하고 편향된 동역학에서의 체계적 오차를 최소화하기 위해, 경로를 선별하기 위해 편향 기능(Bias Functional, BF) 필터링 방법을 적용하였다.
• BF 기능을 $T = \sum_i \frac{1}{m_i \gamma_i} \int_0^{t_f} |\mathbf{F}^i_B(X,t)|^2 dt$ 로 정의하였으며, 이는 편향에 의해 유도된 힘의 크기가 최소화된 경로를 선호하도록 하였다.
• 원자 간 거리 기반의 접촉 함수 $C_{ij}(X) = \frac{1 - (r_{ij}/r_0)^6}{1 - (r_{ij}/r_0)^{10}}$ 를 사용하여 천연 구조의 접촉을 탐지하였으며, $r_0 = 4.5$ Å 로 설정하였다.
• DSSR 및 Barnaba 소프트웨어를 사용하여 기저 쌍 형성 탐지를 검증하였으며, 구조적 정밀도는 상호작용 네트워크 정밀도(INF) 지표를 통해 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 모든 원자 해상도에서 액체 용매 조건 하에서 작은 RNA 분자의 자유 에너지 경관은 어떻게 행동하는가?
• RQ2 단순한 구조를 가진 RNA에서도 접힘 괴로움(frustration)은 어느 정도 존재하는가?
• RQ3 rMD와 BF 필터링을 사용한 강화된 경로 샘플링이, 물리적으로 정확하고 편향이 없는 접힘 경로를 생성할 수 있는가?
• RQ4 모의 접힘 경로와 동역학은 실험 관측치 및 군집 모델과 어떻게 비교되는가?
• RQ5 기저 쌍 형성 및 멀티플렛과 같은 특정 상호작용은 접힘 메커니즘을 어떻게 이끄는가?

주요 결과

• 작은 RNA 분자에 대해서조차도 자유 에너지 경관에서 상당한 괴로움이 존재하여, 여러 경쟁적 경로가 존재함을 시사한다.
• 이 방법은 20–47개의 뉴클레오티드를 포함한 헤어핀 및 페세우도핵형을 포함한 다양한 RNA에 대해 액체 용매 조건에서 생산적인 접힘 경로를 성공적으로 생성하였다.
• 모의 시뮬레이션을 통해 유도된 접힘 메커니즘과 열역학은 가용한 실험 데이터 및 일부 군집 모델과 일치하였다.
• BF 필터링은 비정상적이고 높은 편향을 가진 경로를 효과적으로 제거하여 샘플링된 전이 경로의 통계적 신뢰도를 향상시켰다.
• 상호작용 네트워크 정밀도(INF) 지표는 천연 기저 쌍 형성의 강력한 탐지를 확인하였으며, DSSR과 Barnaba 알고리즘 간의 높은 일치도를 보였다.
• RNA에서는 단백질보다 더 높은 괴로움으로 인해 rMD 편향력이 더 강하게 작용함을 발견하였으며, 이는 정확도를 유지하기 위해 BF 방법을 통해 신중한 필터링이 필요함을 시사한다.