RNA核酸と極性アミノ酸の側鎖との塩基対の相互作用の量子化学的見解

A quantum chemical view of the interaction of RNA nucleobases and base pairs with the side chains of polar amino acids.

• Ashita Ohri
• Preethi P Seelam
• Purshotam Sharma

抄録

RNA-タンパク質の認識には、アミノ酸と核酸塩基の間の水素結合が重要である。本研究では、これらの物理化学的特徴を理解するための第一歩として、密度汎関数法による計算を用いて、RNA核酸塩基の端と極性アミノ酸の側鎖を含む、理論的に可能なすべてのモデル水素結合複合体の本質的な構造と強度を批判的に解析した。その結果、従来のドナー-アクセプター相互作用、分岐相互作用、単一水素結合接触など、様々な水素結合特性を持つユニークな複合体が数多く発見された。さらに、気相（-27kJ mol～-226kJ mol）および溶媒相（-19kJ mol～-78kJ mol）でのこれらの複合体の強度は、RNA-タンパク質複合体に安定性を提供するための関連するコンタクトの能力を示唆しています。さらに重要なことは、プロトン化された核酸塩基と弱極性のシステイン側鎖を含む複合体の特徴を初めて明らかにしたことであり、RNA-タンパク質相互作用を伴う生物学的プロセスにおけるそれらの潜在的な重要性を明らかにしたことである。また、選択された塩基対-アミノ酸複合体の追加解析により、アミノ酸側鎖が塩基対の両方の核酸塩基と同時に相互作用する能力を明らかにし、そのような相互作用の強さが塩基-アミノ酸相互作用に比べて大きいことを明らかにした。これらの解析は、核酸-タンパク質相互作用の分子基盤を理解するための基本的な物理化学的枠組みを提供しています。さらに、我々の量子化学データは、RNA-タンパク質界面での核酸-タンパク質間の相互作用を自動検索するためのより良いアルゴリズムを設計するために利用できる。Ramaswamy H. Sarma氏によるものです。

Hydrogen bonding between amino acids and nucleobases is important for RNA-protein recognition. As a first step toward understanding the physicochemical features of these contacts, the present work employs density functional theory calculations to critically analyze the intrinsic structures and strength of all theoretically possible model hydrogen-bonded complexes involving RNA nucleobase edges and polar amino acid side chains. Our geometry optimizations uncover a number of unique complexes that involve variable hydrogen-bonding characteristics, including conventional donor-acceptor interactions, bifurcated interactions and single hydrogen-bonded contacts. Further, significant strength of these complexes in the gas phase (-27 kJ mol to -226 kJ mol) and solvent phase (-19 kJ mol to -78 kJ mol) points toward the ability of associated contacts to provide stability to RNA-protein complexes. More importantly, for the first time, our study uncovers the features of complexes involving protonated nucleobases, as well as those involving the weakly polar cysteine side chain, and thereby highlights their potential importance in biological processes that involve RNA-protein interactions. Additional analysis on select base pair-amino acid complexes uncovers the ability of amino acid side chain to simultaneously interact with both nucleobases of the base pair, and highlights the greater strength of such interactions compared to base-amino acid interactions. Overall, our analysis provides a basic physicochemical framework for understanding the molecular basis of nucleic acid-protein interactions. Further, our quantum chemical data can be used to design better algorithms for automated search of these contacts at the RNA-protein interface. Communicated by Ramaswamy H. Sarma.