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伞形采样被广泛用于估算生物分子自由能景观和相对折叠稳定性。尽管平衡化是伞形采样流程中的关键环节，但平衡化时长对热力学预测的影响仍缺乏充分认识。在本研究中，我们考察了平衡化时长对四种 RNA 发夹相对折叠自由能预测的影响。这四种发夹的环序列分别为 GUGAAA、CUGGGA、GUAAUA 和 UUAAUU，且螺旋茎均由三个碱基对组成。伞形采样模拟采用端到端距离作为反应坐标，范围为 15–45 [Å]，平衡模拟窗口以约 1 [Å] 的间隔设置。在这些计算中，发夹茎环结构首先在某一端到端距离窗口内进行平衡化，随后将其坐标转移至下一个更大端到端距离的窗口中继续平衡化。每个窗口分别采用 2 ns 和 100 ns 两种平衡化时长，随后进行 600 ns 的生产阶段采样。采用加权直方图分析方法（Weighted Histogram Analysis Method，WHAM）重构平均力势（potential of mean force，PMF）剖面，并结合热力学循环计算成对自由能差。增加平衡化时长导致重构的自由能景观发生显著且具有序列依赖性的变化。对于 GUGAAA 和 UUAAUU，100 ns 平衡化方案产生了明显更平坦的 PMF；对于 GUAAUA，则导致自由能景观发生显著重塑。这些变化伴随着氢键和堆积相互作用的减少，尤其是在反应坐标的中间区域。因此，以自由能变化差表示的热力学预测对平衡化时长高度敏感。在几乎所有发夹配对中，100 ns 平衡化所得的自由能变化差值的绝对值均显著大于相应的 2 ns 平衡化结果，且两种方案之间的差异远大于不同重复模拟之间的变异。与光学熔解实验测量结果及最近邻热力学预测结果的比较表明，2 ns 的平衡化时长与实验值的一致性高于 100 ns 平衡化所得结果。这些发现表明，更长的平衡化过程可能系统性地改变伞形采样所获得的结构系综，并放大预测的稳定性差异，却未必能提高与实验结果的一致性。更广泛地说，本研究结果凸显了平衡化时长在 RNA 自由能计算中的关键性和非平凡性，并表明增加平衡化时长并不一定能够获得更准确的热力学预测。
伞形采样广泛用于估算生物分子自由能景观和相对折叠稳定性。尽管平衡化是伞形采样流程中的关键环节，但平衡化时长对热力学预测的影响仍缺乏充分认识。在本研究中，我们考察了平衡化时长对四种 RNA 发夹相对折叠自由能预测的影响。这四种发夹的环序列分别为 GUGAAA、CUGGGA、GUAAUA 和 UUAAUU，且螺旋茎均由三个碱基对组成。伞形采样模拟采用端到端距离作为反应坐标，范围为 15–45 Å；平衡模拟窗口大致以 1 Å 的间隔设置。在这些计算中，发夹茎环结构首先在某一端到端距离窗口内进行平衡化，随后将其坐标转移至下一个更大端到端距离的窗口中继续平衡化。每个窗口分别采用 2 ns 和 100 ns 两种平衡化时长，之后进行 600 ns 的生产采样。利用加权直方图分析方法（Weighted Histogram Analysis Method，WHAM）重构平均力势（PMF）曲线，并结合热力学循环计算成对自由能差。
增加平衡化时长会导致重构自由能景观发生显著且具有序列依赖性的变化。对于 GUGAAA 和 UUAAUU，100 ns 平衡化方案产生的 PMF 明显更加平坦；对于 GUAAUA，则导致自由能景观发生显著重塑。这些变化伴随着氢键和堆叠相互作用的减少，尤其是在反应坐标的中间区域。因此，以自由能变化差表示的热力学预测对平衡化时长高度敏感。在几乎所有发夹配对中，100 ns 平衡化所得的自由能变化差绝对值均显著大于相应的 2 ns 平衡化结果，且这种差异远远超过不同重复模拟之间的变异。与光学熔解测量结果和最近邻热力学预测进行比较后发现，2 ns 平衡化所得结果与实验值的一致性高于 100 ns 平衡化所得结果。这些发现表明，更长的平衡化过程可能系统性地改变伞形采样所获得的结构系综，并放大预测的稳定性差异，却未必能够提高其与实验结果的一致性。更广泛而言，本研究结果强调，平衡化时长是 RNA 自由能计算中的一个关键且并非显而易见的参数，并表明增加平衡化时长并不一定能够带来更准确的热力学预测。
📄 原文链接：https://www.biorxiv.org/content/10.64898/2026.09.15.751614v1?rss=1
🏷️ 伞形采样 RNA发夹折叠 自由能计算 平衡化时长 加权直方图分析 分子动力学模拟