程永霞，李瑞芳，赵瑞峰，宋鑫伟

（内蒙古师范大学 物理与电子信息学院，内蒙古 呼和浩特 010022）

蛋白质是生命活动的主要承担者，它们只有折叠成特有的空间结构才具有生物活性，才能行使其特定的生物学功能。蛋白质从变性状态转变为特定的生物学天然构象是一个涉及氢键、范德华力等各种非共价键相互作用的复杂动力学过程［1-2］。而蛋白质异常的空间结构有可能会使其生物活性降低、丧失，甚至会引起阿尔茨海默病、帕金森症、心脏疾病和脑损伤等蛋白质折叠疾病［3-6］。因此，研究蛋白质的折叠过程具有重要意义。

蛋白质折叠速率是度量蛋白质折叠快慢的一个参数。前期关于蛋白质折叠速率的研究发现，环境、蛋白质的各级结构和氨基酸序列都对折叠速率有重要影响［7-9］。随着蛋白质共翻译折叠理论的诞生，mRNA空间结构也被认为是影响蛋白质折叠速率的一个因素。项目小组之前的研究发现，mRNA 序列和二级结构的一些参量对蛋白质折叠速率有重要的影响［10-13］。RNA 是层级式折叠的，二级结构在共轴螺旋堆积和三级接触相互作用下形成紧凑的三维构象，本研究认为RNA 三级结构在蛋白质翻译折叠过程中起着更重要的作用。从已有的RNA 三级结构研究结果可知，RNA 和DNA 通常是由双链螺旋，大沟和小沟，同轴堆叠等模块构成［14］。为从理论上寻找RNA 三级结构中影响蛋白质折叠速率的因素，利用相关的软件3dRNA［15-18］和X3DNA［19-20］预测了RNA 的三级结构，计算了所选蛋白质mRNA 三级结构的局部碱基对梯阶参量，以此为基础分析了6 种参量对蛋白质折叠速率的影响。

1 材料与方法

1.1 数据集

整理现有相关文献及蛋白质折叠数据库［21-22］，去掉冗余数据，得到具有实验折叠速率的100 个蛋白质作为研究样本。该样本按照二级结构分类，包含22 个全α 类蛋白质，39 个全β 类蛋白质和39 个混合类(α-β)蛋白质。

1.2 mRNA 三级结构局部碱基对梯阶参量

首先用RNAfold 软件计算每个蛋白质的mRNA 二级结构，然后将每个蛋白质的mRNA 序列和相应的二级结构输入3dRNA 软件，并选用任务类型中的优化模式来预测mRNA 的三级结构。结果中包含pdb 形式的位置坐标，最后将获取的位置坐标输入X3DNA 软件，得到每个mRNA 三级结构的局部碱基对梯阶信息。

核酸的双螺旋结构存在于多种亚态中，DNA 倾向于形成B 型构象，而RNA 倾向于形成A 型构象。螺旋的整体构象是由连续的局部几何形状决定的，而序列中碱基上下文关联对局域结构也有很重要的影响。一个碱基对相对于其相邻碱基对的位置和方向是通过平移参量（shift、slide、rise）和旋转参量（tilt、roll、twist）来确定的，这些参量从局部角度描述了三级结构的构象［23］。参量tilt 是相邻两碱基对长轴在y、z平面内投影的夹角；参量roll 是相邻两碱基对短轴在x、z平面内投影的夹角；参量twist 是相邻两碱基对长轴在x、y平面内投影的夹角；参量shift，slide，rise 是一碱基对梯阶中长轴中点的x，y，z增量［24］。统计每个蛋白质相应的mRNA 三级结构中每一类碱基对梯阶的上述6 种参量值，并按照下列公式计算出每个蛋白质相应的mRNA 中每类碱基对梯阶的每种参量值的平均值。以此为基础，分析6 种参量对蛋白质折叠速率的影响。

表1 局部碱基对梯阶类型取值表Tab.1 Values of local base-pair step

1.3 回归分析

计算出蛋白质相应mRNA 三级结构中各种局部碱基对梯阶的短轴滑移量（shift）的平均值、长轴滑移量（slide）的平均值、z轴滑移量（rise）的平均值、平面短轴转角（tilt）的平均值、平面长轴转角（roll）的平均值和螺旋扭角（twist）的平均值［25-26］，然后作各参量平均值与蛋白质折叠速率的回归分析，并通过P值检验分析结果的可靠性。

2 结果分析

2.1 mRNA 三级结构局部碱基对梯阶参量对蛋白质折叠速率的影响

所有蛋白质的6 种局部碱基对梯阶参量值与蛋白质折叠速率的相关性结果见表2。由表2 可知，mRNA 三级结构的6 种参量值与蛋白质折叠速率均具有相关性。所有梯阶的参量shift 均与蛋白质折叠速率呈负相关，而不同梯阶的参量slide、rise、tilt、roll 和twist 对蛋白质折叠速率的影响趋势不同。如蛋白质折叠速率与梯阶GC/GU、AA/CU、GG/AC 的参量slide、梯阶CG/AG 的参量rise、梯阶UG/UG 的参量tilt 以及梯阶AU/CU的参量twist 均呈显著正相关，而与梯阶CU/AG 的参量rise 和梯阶CC/CG、GG/AU 的参量twist 呈显著负相关。

表2 样本中全部蛋白质折叠速率与局部碱基对梯阶参量值的相关性Tab.2 Correlation between the folding rates and local base-pair step parameters for all proteins in samples

2.2 局部碱基对梯阶参量对不同二级结构类蛋白质折叠速率的影响

早期的研究发现，蛋白质按照二级结构类分为全α 类蛋白质，全β 类蛋白质和混合类(α-β) 蛋白质时，同一参量对三类蛋白质折叠速率影响的大小和趋势可能不同［10-12］。因此，本文详细分析了局部碱基对梯阶参量对三类蛋白质折叠速率的影响，结果见表3-5。

表3 全α 类蛋白质折叠速率与局部碱基对梯阶参量值的相关性Tab.3 Correlation between the folding rates and local base-pair step parameters for all-α proteins

表4 全β 类蛋白质折叠速率与局部碱基对梯阶参量值的相关性Tab.4 Correlation between the folding rates and local base-pair step parameters for all-β proteins

对比分析表3-5 发现，三类蛋白质的折叠速率与不同梯阶的6 种参量值的相关性存在一定差异。如全α 类蛋白质折叠速率与梯阶CG/CG、CG/AG 的参量rise 呈显著正相关，而与梯阶AU/GU 的参量slide呈显著负相关。全β 类蛋白质折叠速率与梯阶CC/GA、CU/UG 的参量roll 呈显著正相关，而与梯阶AG/GA、UA/UA 的参量slide 和梯阶AG/UG 的参量roll 呈显著负相关。混合类(α-β)蛋白质折叠速率与梯阶AA/AA 的参量shift 和梯阶GA/AA、AG/AU 的参量tilt 呈显著正相关，而与梯阶AG/CG 的参量shift、梯阶CC/GG 的参量slide、梯阶CC/GG 的参量rise 和梯阶UA/CA 的参量twist 呈显著负相关。

2.3 蛋白质折叠速率随mRNA 三级结构局部碱基对梯阶参量的变化关系图

从上述各表可以看出，6 种梯阶参量与蛋白质折叠速率均有相关性，为对比不同梯阶的参量对蛋白质折叠速率影响的差别，作出蛋白质折叠速率随6 种参量的变化关系图（图1）。

由图1（a）和（b）发现，在全部蛋白质中蛋白质折叠速率随梯阶AU/AU 和AG/CG 的参量rise 平均值的增大而增大，而随梯阶AU/AU 的参量tilt 平均值的增大而减小。通过图1 的（c）和（d）发现，在全α 类蛋白质中蛋白质折叠速率与梯阶CG/CG 的参量shift 和梯阶AA/AA 的参量rise 均呈正相关，与梯阶CG/CG 的参量twist 和梯阶AA/AA 的参量slide 均呈负相关。

3 讨论

本文基于6 种局部碱基对梯阶参量研究mRNA 三级结构对蛋白质折叠速率的影响。结果显示梯阶UC/GC 的参量shift 与全部蛋白质折叠速率具有显著负相关性，表明梯阶UC/GC 的参量shift 值的增加会很大程度阻碍蛋白质的折叠，而梯阶AG/CG、GG/AA 和UU/AC 的参量shift 与全部蛋白质折叠速率均具有负相关性（见表2），这意味着参量shift 对蛋白质折叠过程的阻碍程度的大小受碱基对梯阶特征的影响。对比表3-4 和表5 的数据发现，对于那些包含Watson-Crick 的相邻碱基对梯阶的参量rise 均促进蛋白质的折叠，梯阶CG/CG 的参量rise 与全α 类蛋白质折叠速率具有正相关性，梯阶AU/AU 的参量rise 与全β 类蛋白质折叠速率具有正相关性，梯阶AU/AU 的参量rise 与混合类蛋白质折叠速率具有正相关性。另外对比图1（a）和（b）发现在全部蛋白质中，参量tilt 在梯阶AU/AU 阻碍蛋白质的折叠，而在梯阶AG/CG 促进蛋白质的折叠，表明包含不同碱基对的梯阶的同一参量对同一类蛋白质折叠速率的影响趋势不同。相关研究表明有些碱基对之间容易形成N-H…O 的链内氢键和N-H…N 的链间氢键，从而促进整体构象的堆积［24］，这种堆积构象影响到mRNA 的空间结构，进而影响mRNA 沿核糖体的顺利延伸，最终影响蛋白质的折叠。因此可以解释包含不同碱基对梯阶的同一参量对同一类蛋白质折叠速率的影响趋势不同。

表5 混合类(α-β)蛋白质折叠速率与局部碱基对梯阶参量值的相关性Tab.5 Correlation between the folding rates and local base-pair step parameters for（α-β）proteins

图1 蛋白质折叠速率随局部碱基对梯阶参量的变化关系图Fig.1 Changes of the protein folding rates with parameters of local base-pair step

此外，mRNA 三级结构的构象决定于6 种局部碱基对梯阶参量的取值。三种平移参量（shift、slide 和rise）的变化会影响同一平面上配对碱基之间距离的远近，而平移参量的大小以及旋转参量的大小又影响到mRNA 三级结构的复杂程度，从而影响核糖体在mRNA 上的移位速率，进而影响到相应蛋白质的折叠速率。局部碱基对梯阶参量值与各类蛋白质折叠速率均呈现出相关性，表明mRNA 三级结构中局部碱基对梯阶参量对蛋白质的折叠进程有重要影响。