RNA structure generates natural cooperativity between single-stranded RNA binding proteins targeting 5' and 3'UTRs
在转录后调节中，mRNA分子被许多蛋白质和/或miRNA结合以调节其功能。为了实现组合基因调控，RNA的这些结合配偶体必须彼此通信，表现出协同性。即使在结合配偶体之间没有直接物理相互作用的情况下，这种协同性也可以通过RNA二级结构介导，因为它们影响结合位点的可接近性。在这里，我们提出了一个定量的措施，这种结构介导的协同性，可以数值计算的任意RNA序列。针对具有两个结合位点的RNA，我们推导出自由能差异的特征差异，即ΔΔG，作为一个结合位点的占据对另一个结合位点结合强度的影响的量度。我们将这种方法应用于大量的人类和C。elegans mRNAs，并发现结构介导的协同性是一个通用的功能。有趣的是，这种协同性不仅影响沿着序列紧密接近的结合位点，而且影响其中一个结合位点位于mRNA的5 'UTR中而另一个位于3' UTR中的构型。此外，我们发现这种端到端的协同性是由UTR序列决定的，而编码区的序列是不相关的。
2014-10-20 q-bio.BM
The role of packaging sites in efficient and specific virus assembly
在许多单链RNA病毒（包括许多人类病原体）的生命周期中，一种称为衣壳的蛋白质外壳自发地组装在病毒基因组周围。了解衣壳蛋白在不同宿主RNA中选择性地围绕病毒RNA组装的机制是病毒学中的一个关键问题。在一种提出的机制中，基因组RNA内的序列元件（包装位点）通过与衣壳蛋白的特异性相互作用促进快速有效的组装。在这项工作中，我们开发了一个粗粒度的粒子为基础的计算模型的衣壳蛋白和RNA，代表蛋白质-RNA相互作用所产生的非特异性静电和特定的包装网站的相互作用。使用布朗动力学模拟，我们探讨了组装的效率和特异性如何取决于溶液条件（控制蛋白质-蛋白质和非特异性蛋白质-RNA相互作用）以及包装位点的强度和数量。我们确定不同的区域在参数空间中，包装网站导致高度特异性的组装通过不同的机制，和其他包装网站导致动力学陷阱。我们将这些计算预测与特异性的体外测定相关，其中同源病毒RNA与非同源RNA竞争衣壳蛋白组装。
2015-02-17 cond-mat.soft q-bio.BM
Can biopolymer structures be sampled enumeratively? Atomic-accuracy RNA loop modeling by a stepwise ansatz
大分子结构的原子级精确预测是计算生物物理学长期追求的目标。精确的建模应该是通过优化物理上现实的能量函数来实现的，但是目前由于生物聚合物的许多自由度的不完整采样而被排除。我们在这里提出了一个工作假设，称为“逐步ananomaly”，递归地构建包装良好的原子细节模型，在小的步骤，列举了数百万的构象为每个单体，并涵盖所有建立的路径。通过在Rosetta中实施该策略，并利用高性能计算，我们提供了这一假设的第一个测试的基准15 RNA环建模问题，从核糖开关，核酶，和核糖体，包括10例，是无法解决的先验知识为基础的建模方法。对于每个循环问题，这种确定性逐步组装（SWA）方法要么达到原子精度，要么暴露罗塞塔的全原子能量函数中的缺陷，表明构象采样瓶颈的解决方案。据我们所知，SWA是第一个枚举，从头构建方法，系统地优于现有的蒙特卡洛和基于知识的方法，用于三维结构预测。作为一个严格的实验测试，我们已经应用SWA的小RNA基序以前未知的结构，C7.2 tetraloop/tetraloop受体，并严格测试这种盲目的预测与核苷酸分辨率结构映射数据。
2011-04-28 q-bio.BM
Virtual Screening of Plant Metabolites against Main protease, RNA-dependent RNA polymerase and Spike protein of SARS-CoV-2: Therapeutics option of COVID-19
COVID-19是由SARS-CoV-2引起的严重呼吸系统并发症，已成为人类医疗保健系统的全球威胁之一。本研究通过药物再利用的方法，采用分子对接技术，对植物源性117种药物进行了药物表面分析，并对药物表面结构进行了初步研究。分子相互作用研究表明，利福平（-16.3 kcal/mol）是MPP的最高抑制剂，其中偶氮苯甲酮被发现是最有效的植物治疗剂，用于阻断SARS-CoV-2的RdRp（-15.9 kcal /mol）和S（-14.4 kcal/mol）蛋白。通过对所有对接结果的比较分析，发现偶氮苯查尔酮、利福平、异甘草酮、粉防己碱和防己诺林碱是最有潜力的针对SARS冠状病毒关键蛋白的抑制性植物化合物。然而，氨基酸位置; MPP的H41、C145和M165对药物表面相互作用起关键作用，而F368、L371、L372、A375、W509、L514、Y515对RdRP起关键作用。此外，S蛋白的药物相互作用表面也显示出与其所有最大抑制剂相似的模式。ADME分析还加强了筛选的植物治疗剂作为具有最高药物友好性的抗SARS-C的有效候选药物的可能性。
2020-05-22 q-bio.BM q-bio.GN
Molecular simulations to investigate the impact of N6-methylation in RNA recognition: Improving accuracy and precision of binding free energy prediction
针对MD预测m6A增强RNA-YTH结合自由能不准的问题，提出整合元动力学、炼金术模拟与力场精修的方法，通过拟合m6A部分电荷同时再现蛋白结合与九个RNA双链体稳定性。
2024-04-23 q-bio.BM
ProNet DB: A proteome-wise database for protein surface property representations and RNA-binding profiles
ProNet DB是首个整合16种模式生物超32万个蛋白质结构的表面性质表征与RNA结合谱的综合性数据库，并集成3D可视化工具，为分子机制研究和药物发现提供即时可用的预计算特征。
2023-08-07 q-bio.BM q-bio.MN q-bio.QM
CoPRA: Bridging Cross-domain Pretrained Sequence Models with Complex Structures for Protein-RNA Binding Affinity Prediction
Tsinghua University（清华大学）；University College London（伦敦大学学院）；Monash University（莫纳什大学）；Beijing University of Posts and Telecommunications（北京邮电大学）
本文提出CoPRA框架，通过复杂结构桥接跨域预训练序列模型，并构建PRA310数据集，在蛋白质-RNA结合亲和力预测及突变效应预测上达到最先进性能。
2025-01-03 cs.LG q-bio.BM
Sampling-based Continuous Optimization for Messenger RNA Design
Oregon State University（俄勒冈州立大学）；University of Southern California（南加州大学）；University of Rochester Medical Center（罗切斯特大学医学中心）
本文提出了一种基于采样的连续优化框架，用于改进mRNA设计，通过迭代采样和参数化分布更新，提升了目标蛋白的稳定性和性能。
2026-03-06 q-bio.BM
Iterative Annealing Mechanism for Protein and RNA Chaperones
本文提出迭代退火机制（IAM）统一解释蛋白质与RNA分子伴侣的作用，说明二者通过反复退火最大化稳态折叠产量，并预测体内RNA分子伴侣活性需适中。
2025-06-14 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Contact statistics highlight distinct organizing principles of proteins and RNA
虽然RNA和蛋白质都具有密集的天然结构，但这两种生物聚合物的链组织是根本不同的。最近发现染色质折叠，间期染色体的领土组织的签名指向亚稳定性的动机，我们分析了蛋白质数据库中存放的生物分子结构，发现链内接触概率，$P(s)$作为弧长$s$的函数，在$s$，$10\lesssim s\lesssim 110$的中间范围内的幂律$\sim s^{-γ}$衰减。我们发现，接触概率标度指数为$γ\approx 1.11$的大RNA（$N>110$），$γ\approx 1.41$的小尺寸RNA（$N<110$），和$γ\approx 1.65$的蛋白质。考虑到高斯统计预期在聚合物熔体中完全平衡的链，在天然状态下大RNA的子链的$γ$值与$γ=1.5$的偏差表明RNA的链构型没有完全平衡。视觉上清楚的是，大尺寸RNA（$N\gtrsim 110$）的折叠结构采用褶皱结构，被划分成由沿着链的近端序列组装的模块化多结构域，而折叠蛋白质的多肽链看起来更好地与结构的其余部分混合。我们对大RNA的$γ\approx 1$的发现可能是折叠过程中二级到三级元件的等级排序的必然结果。
2016-04-02 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
RNAFlow: RNA Structure & Sequence Design via Inverse Folding-Based Flow Matching
Massachusetts Institute of Technology（麻省理工学院）；Broad Institute of MIT and Harvard（麻省理工学院与哈佛大学博德研究所）
RNAFlow提出一种结合逆向折叠与预训练RosettaFold2NA的流匹配模型，用于蛋白质条件RNA序列与结构设计，并通过构象系综建模动态RNA，在生成任务上优于现有方法。
2024-06-09 cs.LG q-bio.BM
Protein-RNA interaction prediction with deep learning: Structure matters
The Chinese University of Hong Kong (CUHK)（香港中文大学）；King Abdullah University of Science and Technology (KAUST)（阿卜杜拉国王科技大学）；The CUHK Shenzhen Research Institute（香港中文大学深圳研究院）
蛋白质-RNA相互作用对多种细胞活动至关重要。实验和计算技术已经被开发来研究相互作用。由于以往数据库的局限性，特别是缺乏蛋白质结构数据，现有的计算方法大多严重依赖于序列数据，只有一小部分方法利用了结构信息。最近，AlphaFold彻底改变了整个蛋白质和生物学领域。可以预见，蛋白质-RNA相互作用的预测也将在未来几年内得到显着提升。在这项工作中，我们给出了一个彻底的审查这一领域，调查的结合位点和结合偏好预测问题，并涵盖了常用的数据集，功能和模型。我们还指出了这一领域的潜在挑战和机遇。本综述总结了RBP-RNA相互作用领域过去的发展，并展望了其在后AlphaFold时代的未来发展。
2021-11-23 cs.LG cs.NE q-bio.BM
Fluctuating diffusivity of RNA-protein particles: Analogy with thermodynamics
一个正式的类比波动扩散热力学讨论信使RNA分子荧光融合到活细胞中的蛋白质。关于这种RNA-蛋白质颗粒的波动扩散率的平均值作为内能的模拟，热量和功的模拟被识别。的克劳修斯不等式被证明持有的熵与扩散率的波动，这起着类似的作用，热力学熵，和热量的模拟。统计涨落分布的变化也从几何的角度进行了检查。本文的讨论有助于从热力学热力学定律的角度更深入地理解波动扩散率。
2021-03-16 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.BM
ZeroFold: Protein-RNA Binding Affinity Predictions from Pre-Structural Embeddings
Centre for Misfolding Diseases, Yusuf Hamied Department of Chemistry, University of Cambridge（错误折叠疾病中心，尤斯夫·哈米埃德化学系，剑桥大学）；Medicinal Chemistry, Research and Early Development, Respiratory and Immunology, BioPharmaceuticals R&D, AstraZeneca（药物化学，研发与早期开发，呼吸与免疫学，生物制药研发，阿斯利康）
本文提出ZeroFold模型，利用预结构嵌入预测蛋白质- RNA结合亲和力，通过跨模态注意力机制结合蛋白质和RNA的预结构嵌入，构建了PRADB数据集并验证了模型性能。
2026-03-24 cs.LG q-bio.BM
A Comparative Review of RNA Language Models
Institute of Systems and Physical Biology, Shenzhen Bay Laboratory（深圳湾实验室系统与物理生物学研究所）；School of Electronic and Computer Engineering, Peking University（北京大学电子与计算机工程学院）；Ribopeutic Inc（Ribopeutic公司）
本文将13个RNA语言模型分为三类，并在RNA二级结构与功能分类零样本任务中同DNA和蛋白质模型对照比较，揭示两类任务性能失衡，呼吁更均衡的无监督训练。
2025-05-14 cs.LG q-bio.BM
BAnG: Bidirectional Anchored Generation for Conditional RNA Design
Univ. Grenoble Alpes, CNRS, Grenoble INP, LJK（格勒诺布尔阿尔卑斯大学、国家科学研究中心、格勒诺布尔INP、LJK）；Center for Computational Mathematics, Flatiron Institute（计算数学中心、Flatiron研究所）
本文提出BAnG方法，通过双向锚定生成技术实现无需先验知识的条件RNA序列设计，解决了传统方法依赖已知序列和结构的限制。
2025-06-23 cs.AI cs.LG q-bio.BM
Kinetics of viral self-assembly: the role of ss RNA antenna
有一大类病毒是由大量相同的衣壳蛋白和ss RNA自组装而成的，衣壳蛋白具有长而灵活的N-末端尾巴。我们研究了强库仑相互作用的积极的N-末端尾巴与SS RNA在体外病毒自组装的动力学的作用。衣壳蛋白粘附在未组装的ss RNA链上（我们称之为“天线”），并在其上滑向组装位点。我们发现，在过量的衣壳蛋白，这样的一维扩散加速自组装超过十倍。另一方面，当ss RNA过量时，天线减慢了自组装。提出了几个实验来验证ss RNA天线的作用。
2007-02-02 cond-mat.soft q-bio.BM
Universal relations in the self-assembly of proteins and RNA
植根于物理学的概念在生物学中变得越来越重要，因为我们过渡到一个需要从分子到细胞水平的所有过程的定量描述的时代。在这篇文章中，我讨论了两个意想不到的发现，普遍的行为，在生物学中不常见，在蛋白质和RNA的自组装。这些令人惊讶的发现揭示了物理学思想应用于从折叠到基因表达到细胞运动和细胞间通讯的生物学问题可能会导致发现在可适应的生命系统中运作的普遍原则。
2014-06-29 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Aptamer-protein interaction prediction model based on transformer
提出基于Transformer的SelfTrans-Ensemble模型，整合序列与结构信息预测适配体-蛋白质相互作用，训练准确率98.9%，测试准确率88.0%，对序列突变敏感，可加速适配体筛选。
2025-06-19 q-bio.BM
Functional analysis of the N-terminal basic motif of a eukaryotic satellite RNA virus capsid protein in replication and packaging
病毒颗粒的有效复制和组装对于感染的建立是不可或缺的。除了衣壳蛋白（CP）在使RNA子代衣壳化中的主要作用外，正义单链RNA病毒的实验证据表明CP也调节RNA合成。在这里，我们证明了卫星烟草花叶病毒（STMV）的复制是由STMV CP和辅助病毒（HV）烟草花叶病毒（TMV）复制酶之间的协同相互作用控制的。我们确定STMV CP-HV复制酶相互作用需要在N-末端13个氨基酸（aa）基序中的第三位置（3R）处的带正电荷的残基。远西北印迹表明，STMV CP促进HV-复制酶和STMV RNA之间的结合。在N-末端13 aa基序中的位置3处具有精氨酸至丙氨酸取代的STMV CP变体废除了复制酶-CP结合。CP的N-末端13 aa基序携带位于5、7、10和11位的带正电荷残基的丙氨酸取代，在包装全长STMV时是有缺陷的，但可以包装缺少3'末端150 nt区域的截短的STMV RNA。这些发现提供了深入了解STMV复制和包装的调节机制。
2016-12-26 physics.bio-ph q-bio.BM
Knowledge-based machine learning methods for macromolecular 3D structure prediction
预测大分子（如蛋白质或RNA分子）的三维结构是生物信息学和计算生物学中最困难和最有吸引力的问题之一。它的重要性来自于给定蛋白质或RNA的3D结构与功能之间的关系。3D结构还有助于找到蛋白质的配体，这些配体通常是小分子，这是药物设计的关键步骤。不幸的是，精确获得大分子的3D结构没有捷径。大分子3D结构的许多物理测量由于其巨大的劳动力成本和对实验室条件的要求而无法按比例放大。近年来，由于计算速度和机器学习方法的进步，计算方法取得了巨大的进步。这些方法通过使用各种数学模型和机器学习方法，仅需要序列信息来预测3D结构。计算方法的成功高度依赖于具有已知结构的蛋白质和RNA的大型数据库。然而，计算方法的性能总是期望得到改进。这有几个原因。首先，我们面临着，并将继续面对数据的稀疏性。其次，三维结构空间太大，我们的计算能力。这两个障碍可以通过基于知识的方法来消除，该方法将从已知结构中学习的知识与生物学家对蛋白质或RNA折叠过程的知识相结合。在这篇论文中，我将介绍我的成果，建立一个基于知识的方法，通过使用机器学习方法来解决这个问题。我的方法包括中间状态的知识约束，这可以大大减少蛋白质或RNA的解决方案空间，从而提高结构折叠方法的效率，提高其准确性。
2016-12-13 q-bio.BM
StemP: A fast and deterministic Stem-graph approach for RNA and protein folding prediction
我们提出了一种新的确定性方法来预测RNA序列和蛋白质折叠。对结构预测来说，stem是否足够？主要思想是考虑给定序列中所有可能的茎形成。利用茎环的能量和茎的强度，我们探索了如何确定性地利用茎信息进行RNA序列和蛋白质折叠结构的预测。我们使用图形符号，其中所有可能的茎表示为顶点，共存为边。这个完整的Stem图呈现了所有可能的折叠结构，并且我们挑选子图，这些子图给出了用于折叠结构预测的最佳匹配能量。我们引入了一个Stem-Loop分数来增加结构信息并加快计算速度。所提出的方法可以处理二级结构预测以及蛋白质折叠与伪结。数值实验是用笔记本电脑完成的，结果只需要几分钟或几秒钟。这种方法的优点之一是算法的简单性和灵活性，它给出了确定性的答案。我们探索蛋白质数据库中的蛋白质序列，rRNA 5S序列和Gutell实验室的tRNA序列。各种实验和比较，包括验证所提出的方法。
2022-01-15 cs.DM physics.bio-ph q-bio.BM
Compact Artificial Neural Network Models for Predicting Protein Residue -- RNA Base Binding
University of Bedfordshire（贝福德郡大学）
针对大型ANN模型训练资源需求高且生命科学数据有限的问题，研究通过实验浅层前馈ANN模型（含两个隐藏层及特定非线性函数），结合滑动窗口和模型集成等技术，证明小型模型可在蛋白质-RNA结合预测中达到可接受精度。
2025-11-11 cs.LG q-bio.BM
RNA topology remolds electrostatic stabilization of viruses
简单的RNA病毒有效地将其基因组封装到纳米大小的蛋白质外壳中：衣壳。基因组和衣壳蛋白的自发共组装主要由带负电荷的RNA和带正电荷的内衣壳壁之间的静电相互作用驱动。使用场论公式，我们表明，固有的分支RNA二级结构允许病毒最大限度地提高封装的基因组的量，使组装更有效，允许病毒RNA在感染的宿主细胞中复制过程中竞争细胞RNA。
2016-01-04 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
The effect of RNA stiffness on the self-assembly of virus particles
在许多体外条件下，一些小病毒自发地将单链（ss）RNA包裹到称为衣壳的蛋白质外壳中。虽然病毒RNA被发现是紧凑的和高度分支的，因为核苷酸之间的长距离碱基配对，最近的实验表明，在没有二级或更高级结构的ssRNA和病毒RNA之间的头对头竞争中，衣壳蛋白优先封装线性聚合物！本文研究了基因组刚性对RNA与衣壳蛋白复合物的解离自由能的影响。我们发现，由于碱基配对，有效链刚度的增加可能是在某些条件下线性链在支链上具有优势的原因，当涉及到双糖苷化效率。虽然分支使基因组更紧凑，但RNA碱基配对增加了RNA分子的有效库恩长度，这可能导致RNA限制的自由能增加，即RNA限制所需的功，从而降低包装效率。
2018-01-08 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
The unknotted strands of life: knots are very rare in RNA structures
目前正在进行的检测和表征生物聚合物中的物理缠结的努力已经确定，结存在于许多球状蛋白质中，也大量存在于包装在噬菌体内的病毒DNA中。另一方面，RNA分子还没有被系统地筛选出物理结的出现。因此，我们对蛋白质数据库中存在的约6，000种RNA结构进行了系统分析。搜索发现不超过三个深打结的RNA分子。这些是通过冷冻-em溶解的核糖体RNA，由大约3，000个核苷酸组成。因此，与蛋白质和病毒DNA的情况相比，观察到的RNA结的发生率实际上可以忽略不计。这表明，无论是进化选择，或热力学和动力学折叠机制的作用，以尽量减少RNA的纠缠的程度是无与伦比的其他类型的生物分子。观察到的三种RNA打结模式的性质为设计能够在扭结折叠中自打结的RNA序列提供了有价值的线索。
2014-10-06 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.chem-ph
Coarse-Grained Nucleic Acid-Protein Model for Hybrid Nanotechnology
杂交DNA -蛋白质纳米技术的新兴领域带来了许多新材料的潜力，这些材料将DNA纳米技术的可寻址性与蛋白质相互作用的多功能性相结合。然而，这些混合结构的设计和计算研究是困难的，由于所涉及的系统尺寸。为了帮助设计和计算机分析过程中，我们在这里介绍了一个粗粒度的DNA/RNA-蛋白质模型，扩展了DNA/RNA的oxDNA/oxRNA模型与基于各向异性网络模型表示的粗粒度蛋白质模型。我们的模型完全配备了分析脚本和可视化，旨在促进最终实验实现的混合纳米材料设计，以及使生物复合物的研究成为可能。我们通过模拟DNA-蛋白质纳米笼、包裹在组蛋白周围的DNA和聚合酶中的新生RNA进一步证明了它的用途。
2020-09-21 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Pathways and kinetic barriers in mechanical unfolding and refolding of RNA and proteins
利用自组织聚合物模型，我们预测了核酶和绿色荧光蛋白的机械去折叠和重折叠途径。与实验一致，四膜虫核酶中有6到8个解折叠转变。根据加载速率，Azoarcus核酶的力斜坡展开中的裂口数在2到4之间。四膜虫核酶的P4-P6亚结构域的力淬灭重折叠通过紧凑的中间体发生。随后在螺旋P5 b-P6 a和P5 a/P5 c-P4之间形成三级接触导致天然状态。力猝灭重折叠途径同意合奏实验。在显性解折叠途径中，GFP的N-末端a螺旋首先解折叠，随后是N末端b链的破坏。还有第三个中间过程，涉及到其他三条链的分裂。与实验一致，GFP的强制猝灭复性途径是分级的，限速步骤是桶的关闭。
2006-11-16 cond-mat.soft q-bio.BM
Biophysical Modeling of SARS-CoV-2 Assembly: Genome Condensation and Budding
由严重急性呼吸道综合征冠状病毒2型（SARS-CoV-2）引起的COVID-19大流行促使全球开展前所未有的协同研究，以遏制和根除这种病原体。SARS-CoV-2有四种结构蛋白：包膜（E）、膜（M）、核衣壳（N）和刺突（S），它们通过从细胞内脂质膜出芽而与其RNA一起自组装成感染性病毒。在本文中，我们开发了一个模型来探索RNA缩合的机制，通过结构蛋白，蛋白质寡聚化和细胞膜-蛋白质相互作用，控制出芽过程和最终的病毒结构。利用分子动力学模拟，我们已经破译了带正电荷的N蛋白如何相互作用并浓缩非常长的基因组RNA，从而导致其包装由宿主细胞内的结构蛋白修饰的脂质包膜。此外，考虑到RNA的长度和病毒的大小，我们发现，M蛋白的内在曲率是必不可少的病毒出芽。虽然目前大多数研究都集中在S蛋白，这是负责病毒的进入，它已被需要开发有效的疫苗的动机，通过在这个关键的蛋白质突变的耐药性的发展，使它有必要阐明病毒的生命周期的细节，以确定其他药物的目标，为未来的治疗。我们的模拟将通过重新组装病毒颗粒来深入了解病毒的生命周期，并可能为未来的药物开发确定治疗靶点。
2022-09-23 physics.bio-ph q-bio.BM
Character-level Tokenizations as Powerful Inductive Biases for RNA Foundational Models
Nostrum Biodiscovery（诺斯特伦生物发现公司）；Institute for Research in Biomedicine (IRB Barcelona), The Barcelona Institute of Science and Technology（巴塞罗那科学技术研究所生物医药研究所（IRB巴塞罗那））；Barcelona Supercomputing Center（巴塞罗那超级计算中心）
针对RNA基础模型性能落后于蛋白质模型的问题，提出参数高效的ChaRNABERT模型，通过可学习的字符级分词在多项基准任务上达到最先进性能，并扩展至RNA-蛋白质等相互作用预测。
2024-11-05 cs.AI cs.LG q-bio.BM
Comparative Analysis of RNA Families Reveals Distinct Repertoires for Each Domain of Life
RNA世界假说，即RNA基因组和催化剂先于DNA基因组和遗传编码的蛋白质催化剂，一直是地球生命早期进化模型的核心。这种模型的一个关键部分是生命进化的最早阶段与现存谱系的RNA库之间的连续性。一些评估似乎与多样化的RNA世界一致，但现代RNA和RNA世界之间的直接连续性尚未被证明为大多数RNA家族，而且，有趣的是，许多RNA功能似乎在其分布中受到限制。尽管对RNA家族可能的古老性进行了大量讨论，但尚未对RNA家族分布进行系统分析。为了绘制已知RNA家族的广泛进化历史，我们对Rfam 10数据库中跨越1446个家族的超过300万个RNA注释进行了比较基因组分析。我们报告说，99%的已知RNA家族仅限于一个单一的生活领域，揭示了每个领域的离散剧目。对于存在于一个以上结构域中的1%的RNA家族/氏族，超过一半显示出水平基因转移的证据，其余的显示出垂直痕迹，表明在最后的普遍共同祖先（LUCA）中存在复杂的蛋白质合成机制，并与最古老的蛋白质编码基因的进化历史相一致。然而，有限的域间转移和几个RNA家族表现出明显的古老性预测下RNA世界的连续性，我们的研究结果表明，大多数现代细胞RNA库主要是在一个特定的域的方式演变。
2012-09-07 q-bio.BM q-bio.GN q-bio.PE
$αβ$ DCA method identifies unspecific binding but specific disruption of the group I intron by the StpA chaperone
伴侣蛋白是所有蛋白质组中最无序的蛋白质，它通过使错误折叠的构型不稳定或使功能构型稳定来帮助RNA折叠成其功能结构。但是解开RNA分子伴侣的机制是具有挑战性的，主要是由于分子伴侣的固有紊乱和它们与RNA相互作用的瞬时性质。特别是，目前还不清楚如何具体的相互作用，以及氨基酸的电荷和极性模式发挥了什么作用。在这里，我们解决这些问题的RNA伴侣StpA。我们将直接偶联分析（DCA）应用到$αβ$ DCA方法中，该方法可以处理以两个字母（核苷酸和氨基酸）书写的串联序列。使用$αβ$ DCA，我们可以分析StpA-RNA相互作用，并显示与先前提出的双管齐下的机制的一致性：StpA破坏I组内含子中的特定位置，同时全局和松散地结合整个结构。此外，相互作用与电荷模式密切相关：不稳定的StpA N-末端中的带负电荷的区域影响RNA中的一些特定位置，位于茎和假结中。相反，C-末端的阳性区域含有强偶联的氨基酸，其促进与RNA的非特异性或弱特异性结合。本研究开辟了新的途径来检查无序蛋白质的功能，并根据其电荷模式设计破坏性蛋白质。
2020-09-02 physics.bio-ph q-bio.BM q-bio.PE
Combining oligo pools and Golden Gate cloning to create protein variant libraries or guide RNA libraries for CRISPR applications
本文提出将 oligo pools 与 Golden Gate 克隆结合的完整方案，用于低成本构建蛋白质突变体文库和 CRISPR 单 guide RNA 文库。
2024-01-22 q-bio.BM q-bio.QM
Minimal models for proteins and RNA: From folding to function
我们展示了粗粒度（CG）模型在研究蛋白质和RNA的折叠和功能方面的实用性的全景图。主要利用我们小组在过去20年中开发的方法，我们描述了一些关键应用，从二硫键蛋白质的折叠到分子机器的功能。提出的理论基础，证明使用CG模型，我们探讨了生物物理基础的出现有限数量的褶皱从晶格模型。折叠状态的晶格模型模拟方法表明，非本地的相互作用是相关的，只有在早期的折叠过程中-一个发现，合理化的成功，强调本地的相互作用的基于结构的模型。应用非晶格$C_α$和模型，明确考虑侧链（$C_α$-SCM）的折叠$β$-发夹和大分子拥挤的影响进行了简要讨论。通过描述绿色荧光蛋白（GFP）对机械力的响应，成功地应用了一类新的非晶格模型，称为自组织聚合物（SOP）。SOP模型的实用性进一步说明了澄清伴侣GroEL和运动的分子马达驱动蛋白的功能的应用程序。我们还提出了两种不同的RNA模型，即三位点相互作用（TIS）模型和SOP模型，探针迫使简单的发夹和{\it Azoarcus}核酶的解折叠和猝灭重折叠。SOP模型的基础上的预测表明，力诱导的核酶的解折叠途径可以显着改变通过改变加载速率。最后，我们讨论了未来的前景，使用粗粒度模型在解决生物学中的突出兴趣的问题。
2008-08-22 cond-mat.soft q-bio.BM q-bio.SC
Iterative Annealing Mechanism Explains the Functions of the GroEL and RNA Chaperones
分子伴侣是消耗ATP的生物机器，其促进蛋白质和RNA分子的折叠，所述蛋白质和RNA分子在动力学上长时间被困在错误折叠状态。无辅助折叠通过动力学分配机制发生，根据动力学分配机制，以低概率折叠到天然状态以及以高概率错误折叠到许多亚稳态之一，在类似的时间尺度上迅速发生。GroEL是一种多用途的随机机器，可以帮助错误折叠的底物蛋白（SP）折叠。RNA分子伴侣（CYT-19）帮助容易错误折叠的核酶折叠。GroEL不与折叠的蛋白质相互作用，但CYT-19破坏折叠和错误折叠的核酶。尽管存在这一主要差异，迭代退火机制（IAM）定量地解释了蛋白质和核酶辅助折叠的所有可用实验数据。在ATP结合和水解以及GroES结合的驱动下，GroEL经历催化循环，在此期间，它采样三种变构状态，称为T（apo）、R（ATP结合）和R“（ADP结合）。与IAM预测一致，实验数据的分析表明GroEL-GroES机制和突变体的效率由重置速率$k_{R''\rightarrow T}$决定，其对于野生型GroEL是最大的。广义IAM精确预测了四膜虫核酶及其变体的折叠动力学。分子伴侣通过驱动底物脱离平衡而使折叠速率和稳态天然状态折叠的乘积最大化。绝对产率和折叠速率都没有优化。
2019-09-16 physics.bio-ph q-bio.BM
Effects of RNA branching on the electrostatic stabilization of viruses
许多单链（ss）RNA病毒从衣壳蛋白亚基和核酸自组装以形成感染性病毒体。据信，带负电荷的RNA和带正电荷的病毒衣壳蛋白之间的静电相互作用驱动了包装，尽管越来越多的证据表明病毒RNA的序列也在包装中起作用。特别地，该序列将决定ssRNA在溶液中可能采用的二级结构。在这项工作中，我们使用平均场论来研究如何结合静电相互作用的RNA的二级结构影响组装的效率和组装的病毒粒子的稳定性。我们表明，RNA的二级结构可能会导致负渗透压，而线性聚合物在相同的条件下会导致正渗透压。这可能表明，分支结构使RNA更有效地包装和病毒粒子更稳定。
2016-08-09 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
RNA Base Pairing Determines the Conformations of RNA Inside Spherical Viruses
许多简单的RNA病毒用一种称为衣壳的蛋白质外壳包裹着它们的遗传物质。虽然大多数病毒的衣壳结构都有很好的特征，但壳内RNA的结构及其影响因素仍然知之甚少。我们研究了碱基配对对RNA构象的影响，发现它经历了一个肿胀的线圈小球连续过渡作为配对相互作用的强度的函数。我们还观察到一阶转换和扭结作为RNA长度的函数。所有这些转变都可以解释在病毒外壳内观察到的不同RNA谱。
2017-11-04 physics.bio-ph q-bio.BM
Multimodal Alignment and Preference Optimization for Zero-Shot Conditional RNA Generation
Univ. Grenoble Alpes, CNRS, Grenoble INP, LJK（格勒诺布尔阿尔卑斯大学、法国国家科学研究中心、格勒诺布尔INP、LJK实验室）；Center for Computational Mathematics, Flatiron Institute（计算数学中心、Flatiron研究所）
提出Moirain框架，通过多模态监督微调和直接偏好优化实现条件RNA序列生成，在零样本条件下生成具有高结合亲和力的生物合理RNA序列。
2026-05-12 cs.AI cs.LG q-bio.BM
Electrostatic theory of viral self-assembly: a toy model
病毒从相同的衣壳蛋白和它们的基因组自组装，所述基因组由例如长单链（ss）RNA组成。对于一大类T = 3病毒，衣壳蛋白具有长的正N-末端尾。我们探讨了正N-末端尾巴扎根在衣壳的内表面和负SS RNA分子的刷之间的库仑相互作用所发挥的作用。我们发现，当SS RNA的总轮廓长度接近尾部的总长度时，病毒是最稳定的。对于这种结构，总RNA电荷的绝对值大约是衣壳电荷的两倍。这一结论与结构数据一致。
2007-02-02 cond-mat.soft q-bio.BM
RDesign: Hierarchical Data-efficient Representation Learning for Tertiary Structure-based RNA Design
Zhejiang University（浙江大学）；McGill University（麦吉尔大学）；Westlake University（西湖大学）；AI Lab, Research Center for Industries of the Future, Westlake University（西湖大学未来产业研究中心AI实验室）
针对RNA三级结构设计序列面临的数据稀缺、结构复杂难题，提出分层对比学习框架RDesign，结合二级结构先验，构建基准数据集，实现数据高效的RNA设计，为相关任务提供可靠基线。
2024-03-07 cs.AI cs.LG q-bio.BM
A Note on Genome Organisation in RNA Viruses with Icosahedral Symmetry
病毒基因组在其蛋白质容器（称为病毒衣壳）内的结构组织是病毒结构的一个重要方面。许多单链（ss）RNA病毒将其基因组的重要部分组织在十二面体笼中，作为反映衣壳对称性的RNA双链体结构。Bruinsma和Rudnick提出了一个在这些笼子里的RNA结构组织的模型。本文的目的是进一步发展他们的方法的基础上，从图论和DNA网络工程领域的结果。我们首先提出了一个方案，pariacoto病毒，这类病毒的代表，这是积极的比以前推导出的更有利。然后，我们表明，它是一个代表整个家庭的笼结构，遵守相同的建设原则，然后推导出大力最佳配置的第二个家庭的笼结构沿类似的路线。最后，我们给出了推测的理由，这两个家庭更有可能发生在自然界中比其他场景。
2006-11-06 q-bio.BM
Messenger RNA Fluctuations and Regulatory RNAs Shape the Dynamics of Negative Feedback Loop
简单调控网络的单细胞实验与细胞群体实验有显著不同。这种差异是由单个细胞中的随机事件引起的，这些随机事件在细胞群体中被平均化。例如，虽然单个细胞可能显示出某些蛋白质浓度的持续振荡，但这种振荡可能在群体平均值中表现出阻尼。在本文中，我们研究的作用RNA随机波动作为一个主导力量，产生一个持续的兴奋行为在单细胞水平。反对以前的一些模型，我们建立了一个完全随机模型的负反馈回路，明确考虑到RNA的随机动力学。我们发现信使RNA的随机波动可以在翻译过程中被放大，并产生持续的蛋白质表达脉冲。受最近对非编码调节RNA在转录后调节中的重要性的认识的启发，我们也考虑了调节RNA转录本可以与信使RNA结合并抑制翻译的可能性。我们的研究结果表明，调节转录有助于减少基因表达的变异性在单细胞水平和细胞群体水平。
2010-07-27 physics.bio-ph q-bio.BM q-bio.MN
Comment on "Length-dependent translation of messenger RNA by ribosomes"
在Valleriani { \it et al} [Phys. Rev. E { \bf 83}，042903（2011）]的最新论文中，提出了用于描述核糖体翻译信使RNA（mRNA）的简单模型，并且获得了翻译率$r$的表达式，所述翻译率$r$定义为蛋白质从mRNA的翻译速率$ω_{\rm tl}$与蛋白质的降解速率$ω_p$的比率。得到这个比率$r$的关键点是得到翻译率$ω_{\rm tl}$。在Valleriani { \it et al}的研究中，假定$ω_{\rm tl}$是测量的翻译速率的平均值，即蛋白质的翻译数与mRNA的寿命的比率的平均值。然而，在实验中，可以使用不同的方法来获得$ω_{\rm tl}$。因此，为了将来将他们的模型应用于更多的实验数据分析，在本文中，提供了三种获得平移率$ω_{\rm tl}$的方法，从而获得平移比$r$。基于大多数实验中可能采用的方法之一，我们发现，在原核细胞中，翻译率$r$随mRNA的长度呈指数衰减，而在真核细胞中，翻译率随mRNA的长度呈指数衰减。这一结果与Valleriani的研究结果略有不同。
2011-10-10 physics.bio-ph q-bio.BM
Size, shape, and flexibility of RNA structures
确定RNA分子的大小和柔性对于理解折叠结构中的包装性质以及阐明RNA与DNA或蛋白质之间的相互作用是重要的。使用蛋白质数据库中RNA结构的坐标，我们发现使用回转半径$R_G$测量的折叠RNA结构的大小遵循Flory标度定律，即$R_G =5.5 N^{1/3}$，其中N是核苷酸的数量。RNA分子的形状由非球面性$Δ$和形状$S$参数表征，所述形状参数使用惯性矩张量的特征值计算。从$Δ$的分布，我们发现，折叠的RNA结构的大部分是非球面和$S$值的分布表明，RNA分子是扁长的（$S>0$）。折叠结构的柔性由持久长度$l_p$表征。通过将距离分布函数$P(r)$拟合到蠕虫链模型中，提取了持续长度$l_p$。我们发现，$l_p\approx 1.5 N^{0.33}$是一种有效的抗肿瘤药物。$l_p$对$N$的依赖性意味着螺旋的平均长度应该随着RNA大小的增加而增加。我们还分析了核糖体（30 S、50 S和70 S）结构中的包装，包括$R_G$、$Δ$、$S$和$l_p$。与大多数RNA分子相比，70S和50S亚基更球形。50S的球形是由于存在异常大量的小螺旋（与30S亚基相比），这些小螺旋通过凸起和环缝合在一起。完整的70S核糖体和组成颗粒的形状的比较表明，折叠的单个分子可能发生在组装之前。
2006-09-23 physics.bio-ph q-bio.BM
Generalized Iterative Annealing Model for the action of RNA chaperones
由于RNA分子的崎岖景观，它们的折叠由动力学分配机制描述，根据该机制，只有一小部分（$ϕ_F$）达到折叠状态，而剩余部分的分子被动力学地捕获在错误折叠的中间体中。从错误折叠状态到天然状态的转变可能远远超过生物学相关时间。因此，RNA在体内的折叠通常是由蛋白质辅因子，称为RNA分子伴侣，可以拯救RNA从大量的错误折叠的结构。我们考虑两个模型，基于化学动力学和化学主方程，描述辅助折叠。在被动模型中，适用于I类底物，错误折叠的结构与RNA分子伴侣单独的瞬时相互作用足以使错误折叠的结构不稳定，从而熵降低折叠的障碍。为了使这种机制有效，折叠的RNA和蛋白质辅因子之间的中间核糖核蛋白（RNP）复合物应该具有最佳稳定性。我们还引入了一个活性模型（适用于具有小$ϕ_F$的严格底物），该模型解释了最近关于CYT-19对I组内含子核酶作用的实验结果，表明RNA伴侣不会区分错误折叠状态和天然状态。在主动模型中，RNA分子伴侣系统利用ATP水解的化学能反复结合和释放错误折叠和折叠的RNA，导致天然状态的产量大幅增加。这里概述的理论表明，与实验一致，在稳定状态下，本征态不会以单位概率形成。
2013-06-17 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
RNA-FrameFlow: Flow Matching for de novo 3D RNA Backbone Design
Yale University（耶鲁大学）；University of Cambridge (UK)（剑桥大学）；Lawrence Berkeley National Laboratory（伯克利国家实验室）；Prescient Design, Genentech, Roche（Prescient Design、基因泰克、罗氏）；University of Oxford (UK)（牛津大学）；National University of Singapore（新加坡国立大学）
提出首个基于SE(3)流匹配的3D RNA骨架生成模型RNA-FrameFlow，通过定制数据协议与评估指标，成功生成40-150个核苷酸的局部逼真骨架，超40%达到全局自洽。
2025-08-11 cs.LG q-bio.BM q-bio.GN
Development and applications of Coarse Grained models for RNA
与蛋白质相比，很少有人关注用于描述RNA分子的计算模型的发展，RNA分子被认为在许多细胞功能中起着关键作用。目前的原子详细力场不足以准确捕捉甚至简单的核酸结构的特性。在这篇文章中，我们回顾了我们开发粗粒度（CG）模型的努力，这些模型捕获了特定长度尺度的底层物理。两个模型进行了讨论。其中之一是三相互作用位点（TIS）模型，其中每个核苷酸由三个对应于糖，磷酸盐和碱基的珠子表示。另一种是自组织聚合物（SOP）模型，其中每个核苷酸被表示为单个相互作用中心。应用TIS模型研究了人端粒酶假结中发夹结构形成的复杂性以及拥挤效应对两种构象平衡移动的影响。关于拥挤的工作说明了与端粒酶活性的直接联系。我们用SOP模型来描述{ \it Tetrahymena}核酶对力的响应。模拟的解折叠路径与单分子拉伸实验吻合得很好。我们还回顾了{ \it Azoarcus}核酶去折叠途径的预测。CG在描述RNA动力学方面的成功应用给我们带来了希望，即可以使用所提出的模型的变体来处理涉及RNA-蛋白质相互作用的更复杂的过程。
2014-02-25 cond-mat.soft q-bio.BM
ATP dependent NS3 helicase interaction with RNA: insights from molecular simulations
丙型肝炎病毒的非结构蛋白3（NS3）解旋酶是一种具有ATP依赖性机制的核酸解旋和易位酶，在病毒RNA的复制中起关键作用。基于晶体结构和单分子实验，提出了一种类似尺蠖的移位机制。在这里，我们进行原子分子动力学在明确的溶剂微秒的时间尺度上可用的实验结构。我们还构建和模拟推定的转运过程的中间体，我们进行非平衡有针对性的模拟，以估计其相对稳定性。对于每个模拟的结构，我们仔细表征可用的构象空间，配体结合口袋，和RNA结合裂缝。氢键网络和非平衡轨迹的分析表明，ATP依赖的稳定的蛋白质构象之一。此外，焓计算表明，熵效应可能是至关重要的实验观察到的结构的稳定。
2015-08-21 physics.bio-ph physics.chem-ph q-bio.BM
Urea-induced denaturation of PreQ1-riboswitch
尿素是一种具有大偶极矩的极性分子，不仅使折叠的RNA结构不稳定，而且还可以提高大核酶的折叠速率。与尿素诱导蛋白质解折叠的机制不同，尿素对RNA的作用几乎没有被探索过。我们进行了广泛的全原子分子动力学（MD）模拟，以确定尿素诱导的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都显示出其变性能力。我们的模拟结果表明，RNA结构的变性主要是由氢键和尿素与碱基的堆积相互作用驱动的。通过对模拟轨道的详细研究，我们发现尿素和碱基之间由于氢键和堆积而形成的成对键只存在~（0.1-1）ns，这表明尿素-碱基相互作用是高度动态的。最重要的是，碱基对破坏的早期阶段是由水分子渗透到RNA碱基之间的疏水结构域引发的。水渗透到碱基对之间的狭窄空间中对于增加尿素对瞬时破坏的碱基的可及性是至关重要的，从而允许尿素置换碱基间氢键。这种机制，水诱导的碱基对的破坏，导致形成“湿”不稳定的RNA，然后由尿素溶剂化，是完全相反的两阶段变性的蛋白质由尿素。在后一种情况下，初始尿素渗透产生干球，其随后通过水渗透溶剂化，导致整体蛋白质解折叠。我们的工作表明，与水和核苷酸的极性、非极性组分相互作用的能力使尿素成为核酸的强有力的化学变性剂。
2013-07-20 cond-mat.soft q-bio.BM
Searching inhibitors for three important proteins of COVID-19 through molecular docking studies
缺乏应对COVID-19的推荐药物或疫苗是此次大流行的主要问题。针对类似健康问题批准的药物、临床试验中的药物以及药用植物提取物中的分子进行随机调查，以应对COVID-19感染。分子对接是实时搜索治疗有效药物/分子的最佳方法之一，有望应用于COVID-19。在这次交流中，18个配体与SARS-CoV-2的三个治疗靶蛋白进行了分子对接研究，即，RNA依赖性RNA聚合酶（RdRp）、血管紧张素转换酶2（ACE 2）和刺突糖蛋白（SGp）。所获得的结果表明，与药物扑热息痛和羟氯喹相比，植物化学物质显示出更好的dock评分。结合码头评分和药用特性，我们认为可以进一步探索基于萜类化合物的植物化学物质柠檬苦素和东莨菪碱酸B用于对抗COVID-19的潜在用途。
2020-07-29 q-bio.BM q-bio.QM
Towards Joint Sequence-Structure Generation of Nucleic Acid and Protein Complexes with SE(3)-Discrete Diffusion
Profluent Bio；AI Research Lab（AI研究实验室）
本文提出MMDiff，利用SE(3)-离散扩散噪声联合生成核酸与蛋白质复合物的序列和结构，并通过新基准验证其在micro-RNA、单链DNA及多链复合物建模中的有效性。
2023-12-21 cs.AI cs.LG q-bio.BM
Aligning biological sequences by exploiting residue conservation and coevolution
核苷酸序列（对于DNA和RNA）或氨基酸序列（对于蛋白质）是生物学的中心对象。最重要的计算问题之一是序列比对，即以识别相似区域的方式排列来自不同生物体的序列，以检测序列之间的进化关系，并预测生物分子的结构和功能。这通常通过轮廓模型来解决，轮廓模型捕获位置特异性，如序列中的保守性，但假设不同位置的独立进化。在过去的几年里，已经很好地建立了不同氨基酸位置的共同进化对于维持三维结构和功能是必不可少的。基于逆统计物理的建模方法可以捕捉序列集成中的协同进化信号，目前已广泛应用于蛋白质结构、蛋白质相互作用和突变景观的预测。在这里，我们提出了DCAlign，一个有效的比对算法的基础上的一个近似的消息传递策略，这是能够克服的限制，配置文件模型，包括在一般的方式之间的位置的共同进化，并因此普遍适用于蛋白质和RNA-序列比对，而不需要使用互补的结构信息。DCAlign的潜力是仔细探索使用良好控制的模拟数据，以及真实的蛋白质和RNA序列。
2020-11-13 cond-mat.dis-nn physics.bio-ph q-bio.BM
A Model of Sequence Dependent Protein Diffusion Along Dna
我们引入了一个概率模型的蛋白质滑动运动沿DNA在搜索的目标序列。该模型解释了由于非特异性DNA和蛋白质之间的序列依赖性相互作用可能产生的影响。作为一个例子，我们专注于T7 RNA聚合酶，并利用其在启动子位点的相互作用的可用信息，以研究噬菌体T7 DNA序列对滑动过程的动力学的影响。大沟中的氢键被用作RNA聚合酶和DNA之间的主要序列依赖性相互作用。详细讨论了由此产生的动力学性质和实验验证的可能性。我们表明，虽然在大的时候，该过程达到一个纯扩散制度，它最初显示一个子扩散行为。亚扩散状态可以持续足够长的时间以引起生物学兴趣。
2002-07-12 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Properties of a Two Dimensional Model of RNA Folding
核糖核酸（RNA）可以折叠成在细胞中执行功能的形状。这些折叠受沃森-克里克碱基配对的控制，即腺嘌呤与尿嘧啶以及胞嘧啶与鸟嘌呤（A-U和G-C）。蛋白质折叠的H-P（疏水-亲水）模型的性质在二维正交情况下已经得到了很好的研究，我们试图获得类似的结果。我们证明了：（1）存在无穷多个偶数长度序列，它们具有唯一的最优折叠;（2）对于一个偶数长度序列，存在两个理想折叠，如果两个、一个或两个都不是最优的，则序列是可快速验证的;（3）在此模型下寻找最优折叠是NP-困难的;（4）我们给出了一个求解最优折叠RNA序列的常数因子近似算法.
2018-12-15 math.CO q-bio.BM
