U1A-snRNA結合相互作用におけるアロステリックコミュニケーションに関する研究：分子動力学データと組み合わせたネットワーク解析

A study on allosteric communication in U1A-snRNA binding interactions: network analysis combined with molecular dynamics data.

• Qi Shao
• Weikang Gong
• Chunhua Li

抄録

小核 RNA（snRNA）とそれに関連するタンパク質因子との結合相互作用におけるアロステリックな制御は、オルタナティブ RNA スプライシングにおけるスプライソソームの機能にとって非常に重要である。ネットワークモデルと分子動力学シミュレーションを組み合わせたネットワークモデルは、タンパク質のアロステリィを解析するための強力なツールであることが示されているが、原子レベルでのシミュレーションは高価であり、大規模なシステムでは精度が限られている。本研究では、粗視化ガウスネットワークモデル（GNM）と残差ネットワークモデルを組み合わせた残差ネットワークモデルを用いて、スプライソソームU1小核リボ核タンパク質粒子の主要な構成要素であるヒトU1Aタンパク質とsnRNAとの結合相互作用を調べ、その過程でU1Aのアロステリックコミュニケーションに重要な役割を果たす残基を同定しました。また、ジルバン・ニューマン法を用いて、U1A-snRNAの認識と相互作用の構造を検出した。私たちの結果は、以下のことを明らかにしています。(Ι)伝統的にU1A-snRNA結合に大きな役割を果たすと考えられてきた結合部位の残基だけでなく、RNA結合界面から離れた残基も、RNA結合によって誘導されるU1Aのアロステリックシグナル伝達に関与していること、(Π)U1Aタンパク質の構造は、RNA結合とアロステリック制御のために異なる役割を果たす異なるコミュニティによってよく組織化されていること、(Π)U1Aタンパク質の構造は、RNA結合とアロステリック制御のために異なる役割を果たす異なるコミュニティによって構成されていること、(Π)U1Aタンパク質の構造は、RNA結合とアロステリック制御のために異なる役割を果たす異なるコミュニティによって構成されていること、(Π)U1Aタンパク質の構造は、RNA結合とアロステリック制御のために異なる役割を果たす異なるコミュニティによって構成されていること、を明らかにしました。この研究では、残差ネットワークモデルと弾性ネットワークモデルの組み合わせが、他の高分子相互作用系のアロステリックコミュニケーションの研究に容易に拡張できる効果的かつ効率的な方法であることを実証した。

The allosteric regulation during the binding interactions between small nuclear RNAs (snRNAs) and the associated protein factors is critical to the function of spliceosomes in alternative RNA splicing. Although network models combined with molecular dynamics simulations have shown to be powerful tools for the analysis of protein allostery, the atomic-level simulations are, however, too expensive and with limited accuracy for the large-size systems. In this work, we use a residual network model combined with a coarse-grained Gaussian network model (GNM) to investigate the binding interactions between the snRNA and the human U1A protein which is a major component of the spliceosomal U1 small nuclear ribonucleoprotein particle, and to identify the residues that play an important role in the allosteric communication in U1A during this process. We also utilize the Girvan-Newman method to detect the structural organization in U1A-snRNA recognition and interactions. Our results reveal that: (Ι) not only the residues at the binding sites that are traditionally considered to play a major role in U1A-snRNA association, but those residues that are far away from the RNA binding interface participate in the U1A's allosteric signal transmission induced by the RNA binding; (Π) the structure of U1A protein is well organized with different communities acting different roles for its RNA binding and allosteric regulation. The study demonstrates that the combination of the residual network and elastic network models is an effective and efficient method which can be readily extended to the investigation of the allosteric communication for other macromolecular interaction systems.

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