単分子FRETと隠されたマルコフモデルによって明らかになった複雑なRNAの折り畳み動態

科学分野:

• バイオケミストリーと分子生物学
• 構造生物学 構造生物学とは
• バイオフィジックス 生物物理学

背景:

• リボ酵素などの触媒性RNA分子の折り畳み運動を理解することは,それらの生物学的機能を解読する上で極めて重要です.
• 単一分子フォースター共振エネルギー伝達 (smFRET) は,構成動力学に関する洞察を提供しますが,洗練された分析方法が必要です.
• トレースに依存する背景強度は,smFRETデータの解釈を複雑にすることができます.

研究 の 目的:

• フォトンベースの単分子FRETデータのための高度な分析技術を開発する.
• ディエルス-アルデラーゼリボ酵素の折りたたみ動力学と構成状態を調査する.
• リボ酵素構造の安定化におけるマグネシウムイオン (Mg2+) の役割を明らかにする.

主な方法:

• smFRETデータ分析のための隠されたマルコフモデルと最適化手順の開発.
• トレース依存の背景強度補正をモデルに組み込む.
• この方法の適用は,Diels-Alderase ribozymeの折り畳みを異なるMg2+濃度および構造にわたって研究するために行われました.

主要な成果:

• 多数の拡張 (低FRET) とコンパクト (高FRET) 構成状態の識別.
• 異なる構造とMg2+濃度で5つの異なる状態を一貫して特定しました.
• 構造は一般的にMg2+濃度が増加するにつれてよりコンパクトになり,いくつかの状態はMg2+依存の安定化 (三次折り) と1つのMg2+独立状態 (ワトソン・クリックの塩基配對) を示す.

結論:

• 開発された隠されたマルコフ模型は,リボジームの折りたたみ運動を分析する際,前例のない詳細を提供します.
• ディエルス-アルデラーゼリボジーム折り畳みには,急速な三次構造変動 (ms) から,より遅い二次構造変化 (秒) までの時間スケールの階層が含まれています.
• 折りたたみの経路は複雑で,中間の二次構造と,Mg2+によって調節される三次構造と二次構造要素の間の動的移行を含む.