基因转录中真菌RNA聚合酶构象变化的转录泡动力学效应之理论研究

RNA polymerase II (Pol II) is the eukaryotic enzyme that is responsible for synthesizing messenger RNA from a complementary DNA during gene transcription elongation. Investigation into the molecular mechanisms of Pol II transcription is essential for understanding the related diseases caused by transcription error, such as cancer. Transcription bubble, one important structural component in Pol II, participates the key conformational changes during transcription. However, its dynamic effect on transcription still remains elusive. We propose to apply all-atom molecular dynamics (MD) simulations and Markov State Models (MSMs) to elucidate the dynamic effect of transcription bubble on the essential conformational changes during transcription elongation. These processes ensure the transcription efficiency and maintain the transcription fidelity. MD simulations can model the dynamic molecular interaction at atomic resolution. MSMs can bridge the timescale gap between the conventional MD simulations (limited to tens to hundreds of nanoseconds for macromolecules such as Pol II) and the experimental observables (happen at tens of microseconds or even longer) by extracting the long-timescale dynamics from extensive short MD simulations. At the same time, our theoretical work will develop new methods to construct MSMs, provide hypothesis which can be evaluated by experiments, while the experimental results can further help to refine our theoretical models. All this together can not only greatly improve our understanding of the role of transcription bubble on Pol II transcription dynamics, but also help us to discover new loci in the non-active site region to control gene transcription and apply them to the fields beneficial to human beings, such as design of anti-cancer drugs.

RNA聚合酶II是参与真核生物基因转录的重要酶，研究其分子机制有助于了解由误转录诱发的癌症等相关疾病。转录泡作为聚合酶的一个重要结构单元，参与转录的关键构象变化，然而其对转录的动力学效应尚未探明。我们建议运用分子动力学模拟和马尔科夫态模型来揭示转录泡对核酸链重要构象变化的动力学影响，这对保证转录的效率和准确性至关重要。分子动力学模拟可以在原子尺度模拟分子间动态的相互作用，马尔科夫态模型能够从大量短时间的模拟轨迹中抽取长时间的动力学信息，从而克服传统的分子动力学模拟（对生物大分子限制于百纳秒级别）和实验观测量（毫秒甚至更长时间）之间的时间尺度鸿沟。同时，我们的理论工作将发展新的方法来构建马尔科夫模型，并通过实验得到验证和完善。这不仅可以帮助我们了解转录泡在转录中发挥的动力学效应，同时有助于我们在活性中心以外的区域发现新的基因调控位点，并将其应用于抗癌药物设计等对人类有益的领域。

RNA聚合酶II是参与真核生物基因转录的重要酶，它负责读取模板DNA并合成对应的信使RNA来完成遗传信息的传递。因此，研究其分子机制有助于了解由误转录诱发的癌症等相关疾病。过去的模型通常忽略了转录泡这一重要的结构单元，因此无法全面了解聚合酶的转录机理。在该项目中，我们不仅揭示了在转录泡存在下RNA聚合酶II的转录动力学的分子机制，同时，我们针对动力学模型构建中的关键步骤“细分”进行了优化，为复杂体系的动力学研究打下了更加坚实的基础。. 我们运用大规模的分子动力学模拟和马尔科夫态模型探索了RNA聚合酶II的转录动力学。我们发现，核苷酸链的迁移仍然需要历经两个关键的中间态构型，然而由于转录泡的存在，迁移前态、中间态以及迁移后态的构象占比以及转移时间尺度发生了显著的变化。尽管如此，我们发现迁移动力学还是遵循“布朗-荆棘”模型，即桥螺旋蛋白结构(Bridge Helix)可以通过自身的弯曲热运动来促进核苷酸链的迁移。同时，我们还发现Fork Loop 2和Rudder这两个蛋白结构域可以分别调控转录泡下游边缘以及上游边缘的核苷酸运动，这个发现也为我们提供了可以调控RNA聚合酶II基因转录的新的氨基酸位点。. 在该项目中，我们还同时对马尔科夫态模型构建中的“细分”步骤进行了方法拓展。我们发展了一套循环迭代流程，结合时间结构独立成分分析用于帮助筛选对动力学影响显著的结构组分，同时对构建马尔科夫态模型的参数进行优化。该方法的发展不仅可以很大程度上克服目前由“细分”的参数选择导致的模型不稳定的问题，同时可以广泛应用于其他复杂体系的构象变化动力学研究。