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使用全原子模拟对错误建模的冷冻电镜RNA结构进行系综优化。

Ensemble refinement of mismodeled cryo-EM RNA structures using all-atom simulations.

作者信息

Posani Elisa, Janoš Pavel, Haack Daniel, Toor Navtej, Bonomi Massimiliano, Magistrato Alessandra, Bussi Giovanni

机构信息

Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati (SISSA), Trieste, Italy.

CNR-IOM at SISSA, Trieste, Italy.

出版信息

Nat Commun. 2025 May 16;16(1):4549. doi: 10.1038/s41467-025-59769-0.

DOI:10.1038/s41467-025-59769-0
PMID:40379699
原文链接:https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC12084557/
Abstract

The advent of single-particle cryogenic electron microscopy (cryo-EM) has enabled near-atomic resolution imaging of large macromolecules, enhancing functional insights. However, current cryo-EM refinement tools condense all single-particle images into a single structure, which can misrepresent highly flexible molecules like RNAs. Here, we combine molecular dynamics simulations with cryo-EM density maps to better account for the structural dynamics of a complex and biologically relevant RNA macromolecule. Namely, using metainference, a Bayesian method, we reconstruct an ensemble of structures of the group II intron ribozyme, which better matches experimental data, and we reveal inaccuracies of single-structure approaches in modeling flexible regions. An analysis of all RNA-containing structures deposited in the Protein Data Bank reveals that this issue affects most cryo-EM structures in the 2.5-4 Å range. Thus, RNA structures determined by cryo-EM require careful handling, and our method may be broadly applicable to other RNA systems.

摘要

单颗粒低温电子显微镜(cryo-EM)的出现使得对大型大分子进行近原子分辨率成像成为可能,增强了对其功能的理解。然而,当前的低温电子显微镜优化工具将所有单颗粒图像浓缩成单一结构,这可能会错误呈现像RNA这样高度灵活的分子。在这里,我们将分子动力学模拟与低温电子显微镜密度图相结合,以更好地解释一个复杂且具有生物学相关性的RNA大分子的结构动力学。具体而言,我们使用元推理(一种贝叶斯方法)重建了II组内含子核酶的结构集合,该集合与实验数据更匹配,并且我们揭示了单结构方法在模拟灵活区域时的不准确之处。对蛋白质数据库中所有含RNA结构的分析表明,这个问题影响了2.5 - 4埃范围内的大多数低温电子显微镜结构。因此,通过低温电子显微镜确定的RNA结构需要谨慎处理,并且我们的方法可能广泛适用于其他RNA系统。

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