Nature Methods：廣州實(shí)驗(yàn)室苗智超團(tuán)隊(duì)發(fā)布系統(tǒng)化的RNA結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)評(píng)估研究成果

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來(lái)源：生物世界

2024-12-05

分子結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)是生物信息學(xué)的“圣杯”，2024年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予了AI蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)系統(tǒng)AlphaFold的兩位開發(fā)者，標(biāo)志著人工智能（AI）預(yù)測(cè)方法能給生命科學(xué)研究帶來(lái)革命性推進(jìn)。然而，AlphaFold仍然未解決核酸結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)的問(wèn)題，RNA三維結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)領(lǐng)域仍亟需明確其瓶頸和發(fā)展方向。

RNA-Puzzles是一個(gè)2012年開始的國(guó)際合作項(xiàng)目，致力于評(píng)估RNA三維結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)的最新進(jìn)展。組織者在RNA三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)發(fā)表之前將需要預(yù)測(cè)的序列發(fā)給全球的結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)團(tuán)隊(duì)，在預(yù)測(cè)結(jié)束后各個(gè)團(tuán)隊(duì)反饋預(yù)測(cè)結(jié)果，等三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)發(fā)表以后將預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)與實(shí)驗(yàn)測(cè)定的結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較。從而評(píng)估RNA三維結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。 2024年12月2日，廣州國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、廣醫(yī)-廣州生物院聯(lián)合生科院苗智超教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院溫州醫(yī)學(xué)研究所 Eric Westhof 院士，在 Nature Methods 期刊發(fā)表了題為：RNA-Puzzles Round V:Blind predictions of 23 RNA structures 的論文，公布了RNA-Puzzles Round V 的結(jié)果，對(duì)來(lái)自全球18個(gè)團(tuán)隊(duì)的預(yù)測(cè)進(jìn)行了大規(guī)模評(píng)估，涉及23個(gè)RNA結(jié)構(gòu)，包括RNA元件、適配體、病毒元件、核酶和核開關(guān)等多種RNA類型。

RNA-Puzzles Round V:Blind predictions of 23 RNA structures

本輪比賽（Round V）的預(yù)測(cè)結(jié)果顯示，在RNA結(jié)構(gòu)建模方面，一些關(guān)鍵步驟仍需克服。特別是，堿基配對(duì)的識(shí)別：準(zhǔn)確識(shí)別形成RNA螺旋的堿基對(duì)仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)；non-Watson-Crick結(jié)構(gòu)模塊的識(shí)別：正確識(shí)別non-Watson-Crick堿基對(duì)和RNA結(jié)構(gòu)模塊對(duì)于精確建模至關(guān)重要；螺旋間的同軸堆積（coaxial）：避免螺旋間的打結(jié)，并實(shí)現(xiàn)正確的同軸堆積是提高預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。論文還討論了RNA結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)的難度取決于是否存在同源模板或者預(yù)測(cè)序列的長(zhǎng)度，鏈數(shù)等因素。

為了對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行客觀評(píng)估，本輪比賽采用了多種評(píng)估指標(biāo)，包括：均方根偏差（RMSD）：用于衡量預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)與實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)之間的整體相似性，較低的RMSD值表示預(yù)測(cè)精度較高；相互作用網(wǎng)絡(luò)保真度（INF）：評(píng)估預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)中堿基配對(duì)和堿基堆積相互作用的準(zhǔn)確性；變形指數(shù)（DI）：綜合考慮RMSD和INF值，更全面地反映預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量；IDDT分?jǐn)?shù)和ARES分?jǐn)?shù)：分別側(cè)重于局部和全局精度，以及RNA樣結(jié)構(gòu)特性的評(píng)估。這些算法工具和測(cè)評(píng)數(shù)據(jù)都已經(jīng)開源，發(fā)布在RNA-Puzzles官網(wǎng)（www.rnapuzzles.org）。

本輪比賽中，排名前四的團(tuán)隊(duì)中有三個(gè)團(tuán)隊(duì)也曾在CASP15蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)比賽的RNA賽道中名列前茅，這表明前幾名的預(yù)測(cè)方法具有較好的穩(wěn)定性。尤其是陳世杰教授和Rhiju Das團(tuán)隊(duì)，陳世杰教授也在CASP16的比賽中獲得全球第一，但不同預(yù)測(cè)方法在具體表現(xiàn)上差異不大。未來(lái)RNA結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)領(lǐng)域有望借助人工智能結(jié)合經(jīng)典物理模擬方法和專家經(jīng)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步突破。

論文詳細(xì)分析了不同功能類型RNA的預(yù)測(cè)結(jié)果，具體有——RNA元件：對(duì)一些簡(jiǎn)單的RNA元件，預(yù)測(cè)結(jié)果較為理想；適配體：對(duì)與配體結(jié)合的適配體，預(yù)測(cè)精度相對(duì)較低，尤其是在識(shí)別配體結(jié)合位點(diǎn)方面；病毒元件：一些病毒RNA元件的預(yù)測(cè)結(jié)果較好，但也存在一些預(yù)測(cè)精度較低的情況，尤其是一些包含假結(jié)的結(jié)構(gòu)；核酶：對(duì)核酶的催化位點(diǎn)殘基的預(yù)測(cè)，準(zhǔn)確性與RMSD值密切相關(guān)；核開關(guān)：對(duì)一些具有同源結(jié)構(gòu)的核開關(guān)，預(yù)測(cè)結(jié)果較好；而對(duì)于一些復(fù)雜的核開關(guān)，例如T-box核開關(guān)，預(yù)測(cè)精度仍然有待提高。

RNA元件