hnRNP FのRNA結合ドメインqRRM2とG-tract RNAとの特異的認識に関する分子生物学的知見。分子動力学的研究

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Biochem. Biophys. Res. Commun..2017 12;494(1-2):95-100. S0006-291X(17)32056-9. doi: 10.1016/j.bbrc.2017.10.078.Epub 2017-10-16.

hnRNP FのRNA結合ドメインqRRM2とG-tract RNAとの特異的認識に関する分子生物学的知見。分子動力学的研究

Molecular insights into the specific recognition between the RNA binding domain qRRM2 of hnRNP F and G-tract RNA: A molecular dynamics study.

Lingyun Wang
Feng Yan

PMID: 29050934 DOI: 10.1016/j.bbrc.2017.10.078.

抄録

異種核リボヌクレオタンパク質F（hnRNP F）は、核内のプレmRNAの代替スプライシングを制御することで、様々な遺伝子の発現を制御している。hnRNP Fは、3つの準RNA認識モチーフ（qRRM）を用いて、少なくとも3つの連続したグアニンを含むG-tract RNAを認識する。これまでに、hnRNP FのqRRMとG-tract RNAとの複合体の構造が核磁気共鳴（NMR）分光法によって決定され、qRRMとG-tract RNAとの認識機構が明らかになってきました。しかし、認識の詳細についての知見はまだ不足している。qRRMがG-tract RNAと特異的に結合する仕組みや、G-tractのグアニンからアデニンへの変異が結合にどのような影響を与えるかを調べるために、qRRM2とG-tract RNAの複合体のNMR構造に基づいて、結合自由エネルギー解析を用いた分子動力学シミュレーションを行った。シミュレーションの結果、qRRM2はG-tract RNAと強く結合するが、G-tractに変異があると結合自由エネルギーが大幅に低下することがわかった。さらにエネルギー成分を比較した結果、ファンデルワールス相互作用と非極性相互作用がqRRM2とG-tract RNAの結合に重要な役割を果たしていることがわかったが、RNAの変異の影響で相互作用が弱くなっていることがわかった。構造解析と動的解析の結果、qRRM2がG-tract RNAと結合すると、qRRM2とG-tractの両方が安定した構造とダイナミクスを維持するが、G-tractの変異によって安定性が損なわれることがわかった。これらの結果は、qRRM2とG-tract RNAとの認識機構について、NMR法では解明できなかった新しい知見を与えるものである。

Heterogeneous nuclear ribonucleoprotein F (hnRNP F) controls the expression of various genes through regulating the alternative splicing of pre-mRNAs in the nucleus. It uses three quasi-RNA recognition motifs (qRRMs) to recognize G-tract RNA which contains at least three consecutive guanines. The structures containing qRRMs of hnRNP F in complex with G-tract RNA have been determined by nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy, shedding light on the recognition mechanism of qRRMs with G-tract RNA. However, knowledge of the recognition details is still lacking. To investigate how qRRMs specifically bind with G-tract RNA and how the mutations of any guanine to an adenine in the G-tract affect the binding, molecular dynamics simulations with binding free energy analysis were performed based on the NMR structure of qRRM2 in complex with G-tract RNA. Simulation results demonstrate that qRRM2 binds strongly with G-tract RNA, but any mutation of the G-tract leads to a drastic reduction of the binding free energy. Further comparisons of the energetic components reveal that van der Waals and non-polar interactions play essential roles in the binding between qRRM2 and G-tract RNA, but the interactions are weakened by the effect of RNA mutations. Structural and dynamical analyses indicate that when qRRM2 binds with G-tract RNA, both qRRM2 and G-tract maintain stabilized structures and dynamics; however, the stability is disrupted by the mutations of the G-tract. These results provide novel insights into the recognition mechanism of qRRM2 with G-tract RNA that are not elucidated by the NMR technique.