https://doi.org/10.1038/s41586-025-08855-w
요약
- RNA 내부의 물 네트워크를 2.2~2.3 Å 해상도로 시각화: Tetrahymena 리보자임을 대상으로, cryo-EM 기술을 이용해 고정밀 해상도에서 RNA 주변의 물과 Mg²⁺ 이온의 위치를 모델링하였으며, RNA의 비정형 상호작용을 매개하는 복잡한 수소결합 네트워크를 규명하였습니다.
- SWIM 알고리즘을 이용한 자동화된 물 및 이온 모델링: Segment-guided Water and Ion Modeling (SWIM)을 사용해 RNA 구조 내 고정된 물 분자와 Mg²⁺ 이온을 탐지하고, 이들의 존재 여부를 통계적 지표(Q-score)와 화학적 기준으로 검증하였습니다.
- MD 시뮬레이션과 cryo-EM의 정량적 비교 수행: 분자동역학(MD) 시뮬레이션과 cryo-EM 데이터를 비교함으로써, 고정된 물뿐만 아니라 확산성 물 네트워크까지 cryo-EM이 포착할 수 있다는 것을 입증하였으며, 이는 기존의 원자 좌표 모델로는 설명되지 않던 부분을 해명합니다.
- 비정상적 물 분포를 통한 RNA 구조 안정화 메커니즘 제시: RNA의 비정형 엣지(예: sugar edge, minor groove 등)에서 물이 브리지 역할을 하여 원거리 뉴클레오타이드 사이의 3차 상호작용을 안정화시키며, 이는 RNA 접힘과 기능 유지에 핵심적인 역할을 함을 보여주었습니다.
- Cryo-EM과 MD 기반 수용체 구조 해석의 새 가능성 제시: 기존보다 훨씬 높은 해상도의 cryo-EM과 MD 시뮬레이션의 비교를 통해, 향후 확산성 물과 이온의 동역학적 역할을 해석하고, 나아가 RNA의 촉매 기능과 약물 타깃팅에 활용할 수 있는 기반 정보를 제공하였습니다.
Abstract
The stability and function of biomolecules are directly influenced by their myriad interactions with water1–16. In this study, we investigated water through cryogenic electron microscopy (cryo-EM) on a highly solvated molecule, the Tetrahymena ribozyme, determined at 2.2 and 2.3 Å resolutions. By employing segmentation-guided water and ion modeling (SWIM)17,18, an approach combining resolvability and chemical parameters, we automatically modeled and cross-validated water molecules and Mg2+ ions in the ribozyme core, revealing the extensive involvement of water in mediating RNA non-canonical interactions. Unexpectedly, in regions where SWIM does not model ordered water, we observed highly similar densities in both cryo-EM maps. In many of these regions, the cryo-EM densities superimpose with complex water networks predicted by molecular dynamics (MD), supporting their assignment as water and suggesting a biophysical explanation for their elusiveness to conventional atomic coordinate modeling. Our study demonstrates an approach to unveil both rigid and flexible waters that surround biomolecules through cryo-EM map densities, statistical and chemical metrics, and MD simulations.