mRNA 三級結構中局部堿基對參量與蛋白質折疊速率的相關性

趙瑞峰，李瑞芳，程永霞，宋鑫偉

（內蒙古師范大學 物理與電子信息學院，內蒙古 呼和浩特 010022）

蛋白質在生命活動中起到不可或缺的作用。蛋白質只有折疊成特有的空間結構才具有生物活性、行使其特定的生物學功能，而蛋白質分子從非折疊態到折疊態是一個動力學和熱力學過程，當折疊過程中出現錯誤折疊，就會導致生物體產生疾?。?-2］，因此研究蛋白質的折疊過程十分必要。目前，對于蛋白質折疊速率的研究已經有了一些較成熟的理論方法，早期研究基于蛋白質的三級結構，緊接著提出了蛋白質二級結構對蛋白質折疊速率的影響因素，然后出現了許多基于氨基酸序列對蛋白質折疊速率影響的研究［3-6］。

目前關于RNA 一級結構和二級結構的研究相對成熟，而有關RNA 三級結構的研究相對較少。RNA在折疊過程中，通過雙螺旋區的成核作用、二級結構單元間的“縮合”，最后形成具有生物學功能的三維構象。為方便探究RNA 的三級結構，研究者們設計出了3dRNA 和RNAcomposer 等RNA 三級結構的預測軟件［7-11］，并利用這些預測軟件預測了RNA 的三級結構，通過3DNA、Curves+等對所預測的三級結構進行分析研究［12-13］，例如對大溝和小溝、同軸堆疊等特征的研究［14-16］?？紤]到蛋白質的共翻譯折疊過程，李瑞芳等［17-18］從mRNA 的二級結構出發分析了mRNA 二級結構對蛋白質折疊速率的影響，發現mRNA 二級結構對蛋白質折疊速率有很重要的影響。而mRNA 的二級結構通過氫鍵及其他相互作用折疊成mRNA的三級結構，mRNA 三級結構會直接影響到蛋白質的各級結構，因此認為mRNA 三級結構對蛋白質折疊速率也會有更直接的影響。本文利用3dRNA 和3DNA 軟件對mRNA 三級結構進行預測，提取其中的局部堿基對參量，研究其與蛋白質折疊速率的相關性，探究mRNA 三級結構中局部堿基對參量對蛋白質折疊速率的影響。

1 材料與方法

1.1 數據集

本文從整理得到的蛋白質折疊數據庫中通過去除冗余選取出100 個蛋白質作為研究樣本，蛋白質折疊速率的數據來源于蛋白質折疊速率的相關文獻［4-6］。本文對選取的100 個蛋白質進行了不同類型的分類，按照蛋白質折疊類型，可分為56 個二態蛋白質和44 個多態蛋白質；按照蛋白質的二級結構，可分為22 個全α 類蛋白質，39 個全β 類蛋白質和39 個混合類（α/β）蛋白質。

1.2 RNA 三級結構的局部堿基對參量

選用3dRNA 軟件對RNA 三級結構進行預測。3dRNA 是基于RNA 一級結構和二級結構并使用最小二級結構元素構建RNA 三級結構的一種自動化方法［7-9］。該軟件有四種不同類型的任務，本文選用第三種類型的任務（帶優化的3dRNA）去預測RNA 的三級結構，首先為每個最小二級結構元素找到三級結構的模板，將一組或多組模板組裝在一起，再對每個組裝的結構進行優化。此類型任務與其他類型任務相比，預測結果較為精確。隨后將基于3dRNA 預測出的結果導入3DNA 中進行分析，從分析結果中提取出局部堿基對參量，并對局部堿基對參量進行研究。局部堿基對參量由六個量組成，即三個平移量：兩堿基原點x軸相對位移（Shear）、兩堿基原點y軸相對位移（Stretch）和兩堿基原點z軸相對位移（Stagger）以及三個旋轉量：兩堿基平面繞x軸旋轉夾角（Buckle）、兩堿基平面繞y軸旋轉夾角（Propeller）和兩堿基平面繞z軸旋轉夾角（Opening）。這六個參量定量的定義了一對堿基中一個堿基相對于另一個堿基的空間排列［19］，其零值描述了規范的Watson-Crick 堿基對，非零值分別描述堿基對在x軸、y軸和z軸方向的變形。這些參量是通過將一個基準參考系映射到另一個基準參考系的剛體變化來計算的［13］，其中參量Shear 和Stretch 定義了平均堿基對平面中兩個堿基原點分別在x軸、y軸的相對偏移量［12］；Stagger 定義了平均堿基對兩個堿基原點在z軸的相對偏移量；Buckle 和Propeller 指堿基對內兩個堿基平面之間繞x軸和y軸旋轉的夾角［20-22］；Opening 指兩個x軸之間相對于堿基對平面的平均法線夾角［12］。局部堿基對參量Shear、Stretch 和Opening與氫鍵、接近度相關聯［12］。以此為基礎，本文首先對所選蛋白質相應mRNA 的局部堿基對參量進行統計計算，再根據堿基對的不同，對每個蛋白質相應mRNA 的各個局部堿基對參量求平均值；在此基礎上，詳細分析mRNA 三級結構中各個局部堿基對參量對蛋白質折疊速率的影響。

對于mRNA 中的每一類堿基對，計算了其中的上述6 個參量值，并計算出每個蛋白質相應的mRNA中每類堿基對所對應的每個參量的平均值，計算方法為

其中表示某個蛋白質第i個堿基對的第j個局部堿基對參量的平均值，i表示堿基對類型，它的取值范圍為［1-32］，具體取值定義見表1。j分別取1、2、3、4、5、6，且Shear=1、Stretch=2、Stagger=3、Buckle=4、Propeller=5、Opening=6，Nijk表示該蛋白質第i個堿基對的第j個局部堿基對參量的第k個值，n表示該蛋白質第i個堿基對的第j個局部堿基對參量值的個數。

表1 局部堿基對類型取值表Tab.1 Value of local base-pair

依據公式（1）計算了所選蛋白質相應mRNA 三級結構中各個參量的平均值后，考慮到二態蛋白質與多態蛋白質的折疊方式不同，二者相應mRNA 三級結構的局部堿基對參量對蛋白質折疊速率可能有不同的影響，因此將所選蛋白質按照蛋白質的不同折疊方式進行分類，并在兩類蛋白質中分別計算出每個蛋白質在每一個堿基對類型下的各個參量的平均值?？紤]到蛋白質二級結構的不同，又將所選蛋白質分為全α 類、全β 類和α/β 類蛋白質，并分別計算這三類中每個蛋白質相應mRNA 三級結構的各個參量的平均值。

1.3 回歸分析

利用回歸分析得出各局部堿基對參量的平均值與蛋白質折疊速率的關系，并記錄回歸結果中MultipleR和SignificanceF的值。MultipleR是復相關系數，又稱相關系數，用R表示，反映了各參量的平均值與蛋白質折疊速率之間相關性的強弱；SignificanceF對應的是顯著性統計量，一般情況下等于棄真概率P值，即樣本為假的概率，本文用P值來檢驗計算結果的置信度。

2 計算結果分析

2.1 mRNA 三級結構中局部堿基對參量對蛋白質折疊速率的影響

RNA 的三級結構是由RNA 一級結構通過堿基配對將核苷酸鏈折疊成RNA 二級結構，再通過氫鍵和其他三級相互作用再折疊形成的。RNA 三級結構的一些重要參量如局部堿基對參量是否會對蛋白質折疊速率產生影響？為了探究這個問題做了如下分析：當100 個蛋白質相應mRNA 三級結構的局部堿基對參量數據按照不同堿基配對方式分類后，分析得到每種堿基對的各種參量與蛋白質折疊速率的相關性結果如表2 所示。由于計算結果較多，為了更好地體現結果的生物學意義，表2中只呈現具有相關性的結果。

表2 整體蛋白質折疊速率與各個堿基對中各參量的關系Tab.2 Relationship between the folding rates and parameters in each base-pair for overall proteins

表2 結果顯示，堿基對A-A 的Shear 參量、堿基對A+G、A-G 的Propeller 參量以及堿基對A+U 的Stretch、Opening 參量均與蛋白質折疊速率呈正相關，而堿基對A+C 的Shear 參量、堿基對A-C、C-A 的Stretch 參量均與蛋白質折疊速率呈負相關。

2.2 局部堿基對參量對不同折疊類蛋白質折疊速率的影響

前面基于所有蛋白質研究了mRNA 三級結構的局部堿基對參量對蛋白質折疊速率的影響。為了研究局部堿基對參量對不同折疊類蛋白質折疊速率的影響差異，本節將蛋白質分為二態蛋白質和多態蛋白質，分析了每類蛋白質相應mRNA 三級結構中局部堿基對參量與蛋白質折疊速率的相關性，結果見表3 和表4。

表3 數據顯示，在二態蛋白質中，蛋白質折疊速率與堿基對A-G 的Shear 參量、堿基對A+G的Stagger 參量、堿基對C-C 的Buckle 參量和堿基對A+G、A-G 的Propeller 參量均呈正相關，與堿基對G-A 的Shear 參量、堿基對C-A、A-C 的Stretch 參量和堿基對U+G 的Buckle參量均呈負相關。分析表4 數據發現，在多態蛋白質中，堿基對A+U、G+U 的Stretch 參量、堿基對U+C 的Propeller 參量和堿基對U+G 的Stagger 參量均與蛋白質折疊速率呈正相關。

表3 二態蛋白質折疊速率與各個堿基對中各參量的關系Tab.3 Relationship between the folding rates and parameters in each base-pair for two-state proteins

表4 多態蛋白質折疊速率與各個堿基對中各參量的關系Tab.4 Relationship between the folding rates and parameters in each base-pair for multistate proteins

2.3 局部堿基對參量對不同二級結構類蛋白質折疊速率的影響

前期研究結果表明，同一個參量對不同二級結構類蛋白質的折疊速率有不同的影響。將所選蛋白質分為全α 類蛋白質，全β 類蛋白質和α/β 類蛋白質，在每一類蛋白質中分析了mRNA 三級結構的局部堿基對參量與蛋白質折疊速率的相關性，結果見表5—7。

表5 數據顯示，蛋白質折疊速率與堿基對C-U 的Shear 參量、堿基對G+A 的Opening參量以及堿基對C+A、U-A 的Buckle 參量均呈正相關，與堿基對A+A 的Opening 參量以及堿基對A-C、C+G 的Stretch 參量均呈負相關，其中堿基對C+A 的Buckle 參量和堿基對A-C 的Stretch 參量與蛋白質折疊速率均呈顯著相關性。從表6 的數據中可以看出，蛋白質折疊速率與堿基對A+U 的Stretch 參量以及堿基對U+C、U+U 的Buckle 參量均呈正相關。表7 數據顯示，蛋白質折疊速率與堿基對A+U、C-U 的Stretch 參量、堿基對C+G、G+G 的Propeller 參量以及堿基對A+U、C+G 的Opening 參量均呈正相關。

表5 全α 類蛋白質折疊速率與各個堿基對中各參量的關系Tab.5 Relationship between the folding rates and parameters in each base-pair for all-α proteins

表6 全β 類蛋白質折疊速率與各個堿基對中各參量的關系Tab.6 Relationship between the folding rates and parameters in each base-pair for all-β proteins

表7 混合類蛋白質折疊速率與各個堿基對中各參量的關系Tab.7 Relationship between the folding rates and parameters in each base-pair for α/β proteins

2.4 局部堿基對參量對蛋白質折疊速率影響的變化關系圖

為了更直觀地描述mRNA 三級結構中局部堿基對參量對蛋白質折疊速率的影響趨勢，作出了蛋白質折疊速率隨局部堿基對參量的變化關系圖（圖1）。

通過圖1（a）可以看出，在二態蛋白質中蛋白質折疊速率隨堿基對U-G 的Stretch 參量的增大而減小，但在多態蛋白質中其變化趨勢正好相反。在二態蛋白質中，對比圖1（b）和圖1（c）發現蛋白質折疊速率隨堿基對U-G、U-A 的Stretch 參量的增大而減小，即Stretch 參量抑制蛋白質的折疊；蛋白質折疊速率隨堿基對U-G 的Stagger 參量、堿基對U-A 的Propeller 參量的增大而增大，即Stagger、Propeller 參量均對蛋白質的折疊起促進作用。通過圖1（d）、圖1（e）、圖1（f）對比多態蛋白質中蛋白質折疊速率隨參量的變化關系，發現蛋白質折疊速率隨堿基對C-C、G-U 的Propeller 參量、堿基對U-A 的Stretch 參量以及堿基對G-U 的Buckle 參量的增大而增大，而隨堿基對C-C、U-A的Buckle 參量的增大而減小。

圖1 各參量對蛋白質折疊速率的影響趨勢圖Fig.1 Change of the protein folding rates with parameters

3 討論

本文選取了mRNA 三級結構的局部堿基對參量來研究其對蛋白質折疊速率的影響，利用3dRNA 和3DNA 得到了不同蛋白質相應mRNA 三級結構中各個參量的具體數據。再根據堿基配對方式的不同進行分類，并利用回歸分析了每類堿基對中各種參量與蛋白質折疊速率的相關性。

在表2 數據中發現堿基對A+U 的Stretch 參量與蛋白質折疊速率具有極顯著相關性，意味著堿基對A+U 的Stretch 參量會更大程度地促進蛋白質的折疊。對比表3 和表4 數據可知，在二態蛋白質中，一些堿基對的Shear 參量對蛋白質折疊速率有影響，Opening 參量對蛋白質折疊速率沒有明顯影響；但與二態蛋白質相比，多態蛋白質中一些堿基對的Shear 參量對蛋白質折疊速率沒有明顯影響，Opening 參量對蛋白質折疊速率有影響；在兩種不同折疊類蛋白質中，蛋白質折疊速率均受到其他四個參量（Stretch、Stagger、Buckle 和Propeller）的影響，其中相應堿基對的Stagger 參量與Propeller 參量均促進蛋白質的折疊，且蛋白質折疊速率與相應堿基對的Stagger 參量具有顯著相關性，表明在二態蛋白質和多態蛋白質中局部堿基對參量Stagger 對蛋白質的折疊速率有重要影響。對比表5—7 的數據發現，在不同二級結構類蛋白質中，局部堿基對參量Stretch 對蛋白質折疊速率均有影響，其中相應堿基對的Stretch 參量在全α 類蛋白質中抑制蛋白質的折疊，在混合類蛋白質中對蛋白質的折疊起促進作用，對于全β 類蛋白質來說，局部堿基對參量Stretch 在堿基對A+U 中促進蛋白質的折疊，在堿基對U+C 中抑制蛋白質的折疊，說明局部堿基對參量Stretch 也是影響蛋白質折疊速率快慢的一個重要因素；在全α 類蛋白質中堿基對C+A 的Buckle 參量和全β 類蛋白質中堿基對U+U 的Buckle 參量均與蛋白質折疊速率具有顯著相關性，但在混合類蛋白質中對蛋白質折疊速率無明顯影響，說明在不同二級結構類中局部堿基對參量Buckle 對蛋白質折疊速率會產生不一樣的影響。對比圖1（d）和圖1（f）發現，在多態蛋白質中，局部堿基對參量Buckle 在堿基對C-C 中抑制蛋白質的折疊，而在堿基對G-U 中促進蛋白質的折疊，表明不同堿基對的同一參量對蛋白質折疊速率有不同的影響。另外，相關研究表明Buckle、Propeller 和Opening 的平均值越高，堿基對偏離理想平面幾何構型的程度越大，表現出的構象柔性越大［23］，而大的構象柔性有利于蛋白質的折疊，這個結論很好地支撐了本文中旋轉參量對蛋白質折疊速率影響的研究結論，但在個別堿基對中上述三個參量與蛋白質折疊速率呈負相關，這是由于堿基對的不同影響了二者的相關性。