局部阳离子钳夹效应导致RNA双链结构畸变与软化

《Communications Biology》：Local cation-clamping distorts and softens RNA duplex

语 多价阳离子对核酸结构与功能至关重要，但其与阴离子如何协同调控核酸力学性质尚不明确。本研究通过单分子磁镊与全原子模拟，发现高浓度多价盐中阴离子入侵会破坏RNA大沟的均匀阳离子钳夹，诱发局部钳夹效应，导致RNA结构畸变、弯曲刚度骤降逾两倍。该机制揭示了阴离子在RNA力学调控中的关键作用，为RNA相关应用中的结构理性设计提供了新思路。

　　

在生命科学的微观世界中，核酸（DNA和RNA）如同承载遗传信息的精密机械，其结构柔韧性与生物学功能息息相关。多价阳离子（如Mg²⁺、Ca²⁺、亚精胺³⁺等）作为维持核酸稳定性的关键因子，长期以来被认为主要通过电荷中和与构象稳定化发挥作用。然而，一个深层次问题逐渐浮出水面：在高浓度多价盐环境中，伴随阳离子大量存在的阴离子是否会参与核酸力学性质的调控？尤其是RNA与DNA在力学响应上为何呈现显著差异？这一谜题不仅涉及核酸物理化学本质，更对理解RNA在病毒包装、基因调控等场景中的结构动态变化具有重要意义。

为揭开这一机制，武汉大学张幸华团队与谭志杰团队合作，在《Communications Biology》发表最新研究。他们发现，当多价盐浓度攀升时，阴离子会“入侵”RNA大沟，瓦解原本均匀分布的阳离子钳夹结构，诱发局部化钳夹，最终导致RNA双链发生结构性畸变并显著软化。这一发现颠覆了传统认知中阴离子仅为电荷平衡配体的角色，揭示了离子-核酸相互作用的复杂性。

关键技术方法

研究结合单分子磁镊（Magnetic Tweezers, MT）与全原子分子动力学（Molecular Dynamics, MD）模拟。MT实验通过分析RNA/DNA在不同浓度多价盐（SPDCl₃、CaCl₂、MgCl₂、SrCl₂）中的力-拉伸曲线，量化弯曲持久长度（P）、拉伸模量（K）、轮廓长度（L_c）和扭转-拉伸耦合（dL/dN）。MD模拟采用AMBER ff99bsc1+XOL3力场，在典型盐浓度下进行600纳秒轨迹分析，计算离子分布、沟槽宽度波动（O_M）及局部钳夹效应。

研究结果

多价盐浓度梯度下RNA与DNA力学响应相反

实验表明，DNA持久长度（P_DNA）随多价盐浓度增加先降后升，符合电荷中和-反转理论；而RNA持久长度（P_RNA）先增后骤降。例如，SPDCl₃浓度从1 μM升至0.5 M时，P_RNA从64.4 nm先增至72.6 nm，后锐减至32.2 nm。同步地，RNA的L_c先减后增，K值先增后降，dL/dN发生两次反转，凸显RNA力学响应的独特性。

阴离子入侵破坏RNA大沟均匀钳夹

MD模拟显示，低浓度多价盐中，阳离子优先结合RNA大沟形成“钳夹”，使沟宽均匀变窄（O_M降低），增强刚性。但在高浓度下（如2 M CaCl₂），阴离子大量聚集于磷酸基团附近，破坏阳离子钳夹的连续性，导致大沟宽度分布紊乱（O_M升高），弯曲角度增大，RNA刚度骤降。离子分布统计进一步证实，高盐下RNA周边阴离子数量显著增加，且与钳夹失稳区域高度重合。

人工模拟验证局部钳夹致软机制

为验证局部钳夹效应，团队设计两类人工模拟系统：其一在RNA大沟间添加人工弹簧，发现弹簧刚度增强会直接导致O_M上升和P_RNA下降；其二在磷酸基团周围限制Cl^?位置以模拟阴离子入侵，结果显示钳夹分布呈局部化，RNA结构畸变与高盐实验结果高度一致。

结论与意义

本研究首次阐明多价盐中阴离子通过干扰RNA大沟阳离子钳夹，诱发局部化钳夹并导致结构软化。该机制统一解释了RNA在弯曲刚度、拉伸模量、轮廓长度和扭转-拉伸耦合上的协同变化，突破了传统“阳离子主导”模型的局限。成果为RNA纳米技术、药物递送系统中力学性质精准调控提供了理论框架，并启示未来研究需综合考量阴阳离子协同效应对核酸结构的调控作用。