趙蘊(yùn)杰教授團(tuán)隊(duì)在軟凝聚態(tài)與生物物理研究領(lǐng)域取得新進(jìn)展

華大在線訊（通訊員 朱瀟瀟）近日，物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院趙蘊(yùn)杰教授與美國達(dá)特茅斯計(jì)算機(jī)學(xué)院Soroush Vosoughi教授、美國喬治華盛頓大學(xué)曾辰教授合作在軟凝聚態(tài)與生物物理領(lǐng)域取得了新的研究進(jìn)展，在《Nature Communications》（影響因子：17.694）發(fā)表題為“Evaluating native-like structures of RNA-protein complexes through the deep learning method”的研究論文。我校直博生曾成偉為該論文的第一作者，達(dá)特茅斯計(jì)算機(jī)學(xué)院簡弋人為共同第一作者，物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院趙蘊(yùn)杰教授為論文的通訊作者，華中師范大學(xué)為第一完成單位。

RNA-蛋白質(zhì)復(fù)合物是生命體中廣泛參與生命活動(dòng)的軟物質(zhì)分子，精確的三維結(jié)構(gòu)有助于理解其調(diào)控機(jī)理與相關(guān)疾病的治療。X射線晶體衍射、核磁共振或冷凍電鏡等實(shí)驗(yàn)方法解析RNA-蛋白質(zhì)復(fù)合物結(jié)構(gòu)需要花費(fèi)大量的時(shí)間和財(cái)力，亟需發(fā)展RNA-蛋白質(zhì)復(fù)合物結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)的理論計(jì)算方法。基于統(tǒng)計(jì)勢(shì)能的評(píng)分函數(shù)是目前常用的RNA-蛋白質(zhì)復(fù)合物結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)評(píng)估模型，在剛性對(duì)接問題中表現(xiàn)較好，柔性對(duì)接的結(jié)構(gòu)評(píng)估仍然沒有解決，依然是極具挑戰(zhàn)性的難題。RNA-蛋白質(zhì)復(fù)合物界面相互作用包括靜電、范德華、堿基堆積與氫鍵等多種類型并形成相互作用網(wǎng)絡(luò)，RNA分子在復(fù)合物結(jié)合前后有一定的構(gòu)象變化，需要發(fā)展適用于描述分子復(fù)雜系統(tǒng)的多尺度、多維度復(fù)雜動(dòng)力學(xué)行為的統(tǒng)計(jì)物理新模型。

圖1. DRPScore模型訓(xùn)練中學(xué)習(xí)的RNA-蛋白質(zhì)復(fù)合物特征與4DCNN深度學(xué)習(xí)模型

趙蘊(yùn)杰教授課題組發(fā)展了基于人工智能和統(tǒng)計(jì)物理模型相結(jié)合的新方法DRPScore（圖1）。該方法通過分子對(duì)接模擬復(fù)合物結(jié)合的構(gòu)象變化，可以考慮柔性對(duì)接中分子結(jié)構(gòu)的變化。另一方面，該方法聚焦于RNA-蛋白質(zhì)相互作用界面，通過4DCNN模型不僅可以有效學(xué)習(xí)原子質(zhì)量、原子電荷、相互作用類型（靜電相互作用、氫鍵等）和相互作用距離的局部特征，還可以學(xué)習(xí)復(fù)合物二級(jí)結(jié)構(gòu)相互作用（RNA為配對(duì)、發(fā)卡環(huán)和內(nèi)環(huán)等；蛋白質(zhì)為螺旋和beta折疊單元）與口袋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等全局特征。

圖2. 柔性對(duì)接測(cè)試集結(jié)果。黃色為近天然態(tài)結(jié)構(gòu)，DRPScore的預(yù)測(cè)精度顯著高于傳統(tǒng)模型

柔性對(duì)接是RNA-蛋白質(zhì)復(fù)合物結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)中尚未解決的瓶頸問題。例如，復(fù)合物界面相互作用面較小時(shí)，傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)勢(shì)模型過于敏感并導(dǎo)致較難選擇近天然態(tài)結(jié)構(gòu)。DRPScore可以通過較少的相互作用數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)RNA-蛋白質(zhì)復(fù)合物界面特征，較傳統(tǒng)方法有顯著的提升（圖2）。DRPScore在不同柔性程度的測(cè)試集上進(jìn)行了廣泛評(píng)估，RNA-蛋白復(fù)合物結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)的剛性對(duì)接測(cè)試集中成功率為91.67%，柔性對(duì)接測(cè)試集中的成功率為56.14%，較傳統(tǒng)方法提高了10.53-15.79%，有效解決了結(jié)構(gòu)評(píng)估中由柔性誘導(dǎo)的構(gòu)象變化問題，顯著提高了RNA-蛋白質(zhì)復(fù)合物結(jié)合界面相互作用預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。DRPScore是軟凝聚態(tài)與生物物理研究領(lǐng)域中研究生物大分子的有效工具，將對(duì)RNA相關(guān)復(fù)合物結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與相關(guān)藥物開發(fā)有重要作用。

該研究工作得到國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、湖北省百人計(jì)劃和華中師范大學(xué)優(yōu)秀青年團(tuán)隊(duì)等資助。

全文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-023-36720-9

（審讀人：俞云偉）