尿素诱导的 PreQ1-核糖开关变性

尿素是一种具有大偶极矩的极性分子，它不仅使折叠的 RNA 结构不稳定，还能提高大型核酶的折叠速率。与机制已得到充分理解的蛋白质尿素诱导展开不同，尿素对 RNA 的作用几乎未被探索。我们进行了广泛的全原子分子动力学 (MD) 模拟，以确定尿素诱导 RNA 变性的分子基础。尿素在核糖开关 (RS) 结构的二级和三级基序中均显示出其变性能力。我们的模拟表明，RNA 结构的变性主要由尿素与碱基之间的氢键和堆积相互作用驱动。通过对模拟轨迹的详细研究，我们发现由于氢键和堆积作用形成的尿素 - 碱基孪生对仅持续约 0.1-1 ns，这表明尿素 - 碱基相互作用具有高度动态性。最重要的是，碱基对破坏的早期阶段是由水分子渗透到 RNA 碱基之间的疏水域触发的。水渗透到碱基对之间的狭窄空间对于增加尿素接触瞬时破坏碱基的可及性至关重要，从而使尿素能够取代碱基间的氢键。这种由水诱导碱基对破坏导致形成“湿润”的不稳定 RNA，随后被尿素溶剂化的机制，与尿素对蛋白质的两阶段变性机制完全相反。在后一种情况下，初始的尿素渗透产生一个干球体，随后通过水渗透进行溶剂化，导致蛋白质全局展开。我们的工作表明，尿素能够与核苷酸的水、极性及非极性组分相互作用，使其成为一种强大的核酸化学变性剂。