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RNA 是一种高度带电的聚电解质，其折叠形成具有功能的结构依赖于离子氛围对磷酸骨架强静电排斥的屏蔽作用。单价离子主要稳定二级结构，而二价镁离子（Mg2+）则驱动三级结构折叠，通常通过位点特异性作用并采取多种动态配位模式实现。当前的 RNA 结构预测框架主要依赖静态直接接触信息，忽略了离子介导的相互作用以及不同配位模式之间的动态交换，尤其忽略了直接（内层）与溶剂分隔（外层）Mg2+–磷酸基配位之间的动态交换，而这种交换往往控制着 RNA 的构象转变。在此，我们提出基于结构的静电模型（Structural-based Electrostatic Model，STEM），这是一种隐式–显式混合框架，可明确描述不同离子配位模式之间的动态交换如何决定折叠路径。STEM 结合显式 Mg2+ 离子以解析位点特异性相互作用，并通过广义 Manning 反离子凝聚模型，以隐式 K+ 离子描述反离子凝聚所介导的静电屏蔽，从而能够高效计算 RNA 折叠能量景观。该模型能够准确再现晶体学确定的离子结合位点、实验测得的离子优先相互作用系数，以及不同 RNA 体系中由小角 X 射线散射（SAXS）获得的回转半径。将 STEM 应用于一个 58 核苷酸的 rRNA 片段后发现，从中间态折叠至天然态的过程由螯合 Mg2+ 介导的三级接触驱动，并且模型捕捉到了由配位状态决定的构象呼吸。通过将研究范式从静态直接接触描述转向离子介导的动态相互作用方面，STEM 提供了一个具有物理基础的框架，可用于预测 RNA 结构的动态构象集合，解析其折叠自由能景观，并阐明在生理盐条件下超越天然构象的 RNA 折叠与功能机制。
基于结构拓扑的静电模型（STEM）揭示离子配位交换是 RNA 折叠动力学的驱动因素｜bioRxiv
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基于结构拓扑的静电模型（STEM）揭示离子配位交换是 RNA 折叠动力学的驱动因素
Avijit Mainan、Akhilesh Jaiswar、Jose N. Onuchic、Karissa Y. Sanbonmatsu、Susmita Roy
doi：
https://doi.org/10.64898/2026.06.27.734987
Avijit Mainan¹
印度科学教育与研究学院加尔各答分校；
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RNA 是一种高度带电的聚电解质，其折叠成具有功能的构象依赖于周围的离子氛围；该离子氛围可屏蔽磷酸骨架上强烈的静电排斥。单价离子主要稳定二级结构，而二价镁离子（Mg²⁺）则驱动三级折叠，通常通过位点特异性的方式，并采用……
各种动态配位模式。当前的 RNA 结构预测框架主要依赖静态直接接触信息，忽略了离子介导的相互作用以及不同配位模式之间的动态交换——尤其是直接（内层）配位与溶剂分隔（外层）Mg²⁺-磷酸盐配位之间的动态交换，而这种交换往往控制着 RNA 的构象转变。本文提出结构基础静电模型（Structural-based Electrostatic Model，STEM），这是一种隐式-显式混合框架，能够明确捕捉不同离子配位模式之间的动态交换如何决定折叠路径。STEM 将显式 Mg²⁺离子用于解析位点特异性相互作用，同时通过广义 Manning 反离子凝聚模型，利用隐式 K⁺离子描述由反离子凝聚介导的静电屏蔽，从而实现对 RNA 折叠景观的高效计算探索。该模型能够准确再现晶体学确定的离子结合位点、实验测得的优先离子相互作用系数，以及在多种 RNA 体系中由小角 X 射线散射（SAXS）得到的回转半径。将 STEM 应用于一个 58 个核苷酸的 rRNA 片段后，结果表明，从中间态到天然态的折叠由螯合 Mg²⁺介导的三级结构接触驱动，并捕捉到了由此产生的配位依赖性构象呼吸。通过将研究范式从静态直接接触描述转向离子介导的动态相互作用，STEM 为在各种生理盐条件下预测 RNA 结构的动态构象系综、解析其折叠自由能景观，并阐明超越天然构象范围的 RNA 折叠与功能机制，提供了具有物理基础的框架。
利益冲突声明
作者有
声明不存在竞争性利益。
基金信息
印度政府国家研究基金会（Anusandhan National Research Foundation），ANRF/ARG/2025/008640/CS
生物技术部，https://ror.org/03tjsyq23，BT/PR40192/BTIS/137/69/2023
美国国立卫生研究院国家普通医学科学研究所（NIH NIGMS），R01GM110310
版权
本预印本的版权归作者/资助方所有。作者/资助方已授予 bioRxiv 永久展示本预印本的许可。
保留所有权利。未经许可不得重复使用。
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发布于 2026 年 7 月 1 日。
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《基于结构拓扑的静电模型（STEM）揭示离子配位交换是 RNA 折叠动力学的驱动因素》
Avijit Mainan、Akhilesh Jaiswar、Jose N. Onuchic、Karissa Y. Sanbonmatsu、Susmita Roy
bioRxiv
2026.06.27.734987
doi：https://doi.org/10.64898/2026.06.27.734987
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《基于结构拓扑的静电模型（STEM）揭示离子配位交换是 RNA 折叠动力学的驱动因素》
Avijit Mainan、Akhilesh Jaiswar、Jose N. Onuchic、Karissa Y. Sanbonmatsu、Susmita Roy
bioRxiv
2026.06.27.734987；
doi：
https://doi.org/10.64898/2026.06.27.734987
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关键词：RNA折叠动力学 · 镁离子配位交换 · 静电模型 · RNA构象变化 · 折叠自由能景观
原文链接：https://www.biorxiv.org/content/10.64898/2026.06.27.734987v1?rss=1