RNA在溶液中除了存在自由能较低的高丰度的基态构象（Ground States），往往还存在自由能较高的低丰度的激发态构象（Excited States，也称瞬态构象）。多种构象之间的切换在RNA与配体的识别，折叠和去折叠，RNA-蛋白复合物的组装，以及酶催化等重要的生物学过程中多有涉及，并且跨越了从皮秒到秒甚至更慢的时间尺度。RNA的构象切换经常发生在碱基错配、顶环、内环、凸环等比较动态的区域及其附近，并且有相当一部分是以碱基对重排的方式进行。目前，RNA设计的相关研究只停留在基态结构上，尚未涉及到设计具有瞬态构象的RNA。此外，对于其构象切换的具体细节及其热力学和动力学机制也了解得不够清楚。
在该研究中，作者利用RNA二级结构预测工具MC-Fold，经过一系列设计策略与筛选条件，得到了四类以不同方式进行二级结构自主切换的RNA。接着，研究者把NMR弛豫弥散实验 (15N R1ρ 和 1HN CEST) 和该课题组最近开发的高精度RNA亚氨基化学位移预测工具结合起来，确认了这些瞬态二级结构的存在，并且测量了它们的丰度和切换速度。研究者进一步发现，通过对loop区域的变动可以有效地调节瞬态的丰度和切换速度。但出乎意料的是，把发生切换的茎区延长或者缩短一到两个碱基对并未像预想的那样减缓或者加快切换的速度。为了解决这一疑惑，研究者从设计出的RNA中选择了8条，在不同温度下进行了弛豫弥散实验。对驰豫弥散结果的热力学分析表明，这些RNA尽管茎区的序列和长度不同，但在发生二级结构切换时所克服的能障大小均相当于打开一对经典碱基配对所须的自由能大小（13-16 kcal/mol）。因此，这些RNA的结构切换很可能是通过多步完成的，而每一步最多只涉及一对碱基的打开。为了证实这一想法，研究者运用加速分子动力学模拟（accelerated molecular dynamics simulations, aMD）方法，针对三种不同切换类型的RNA来捕捉其构象切换的细节，成功捕捉到了很多次的二级结构切换事件。这些切换既可以自上而下，也可以自下而上地发生，并且均以旧碱基对逐次打开，新碱基对逐次形成的方式来实现。这样的多步切换机制可以有效地降低能障，使得RNA的构象转变可以在一个合理的时间尺度内完成，以顺利发挥其生物学功能。这种通过多步反应来降低构象切换能障的策略在生物大分子中应该普遍存在，而该工作通过NMR和分子动力学模拟的结合在RNA二级结构切换的体系中揭示了该策略的一种具体实现机制。该研究为RNA的理性设计提供了新的思路和手段。此外，对RNA瞬态结构的动力学和热力学测量也有助于将来改进RNA二级结构预测方法和改善其分子动力学模拟的力场参数。
四类以不同模式自主切换的RNA，以及在第四个RNA上通过分子动力学模拟捕捉到的一个切换事件
该研究工作于2022年3月21日在《自然∙通讯》（Nature Communications）杂志在线发表，题为《RNA瞬态结构的理性设计及其多步切换机制》（Rational Design of Hairpin RNA Excited States Reveals Multi-step Transitions），原文链接为https://www.nature.com/articles/s41467-022-29194-8。清华大学生命科学学院薛毅研究员为论文通讯作者，生命学院已毕业的博士生韩鸽为论文第一作者。该研究得到了国家自然科学基金委、清华-北大生命科学联合中心和北京市结构生物学高精尖创新中心的基金支持。核磁实验数据的采集在清华大学蛋白质研究中心核磁平台完成。
