J. Chem. Theory Comput. | 核酸力场中二面角能量项的通用化开发框架

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大规模生物分子体系的精确建模依赖于高质量的力场模型。尽管原子级核酸力场在过去几十年已显著提升，但仍缺乏一个适用于天然及化学修饰核酸、涵盖多种环境的通用建模框架。研究人员提出了一种面向所有核酸体系的广义扭转能参数开发方法。该方法能够同时参数化多个关键的二面角，以模拟其在生理温度和溶剂环境下的构象变化。研究人员开发的Creyon25力场，在准确性上与当前主流的AMBER和CHARMM模型相当，同时具备对化学修饰（连接体、糖环和碱基）广泛适应的能力。Creyon25在多种RNA和DNA结构上进行了验证，包括四聚体、发夹环和双链结构。Creyon25的RNA模型能够准确再现实验观察到的构象，DNA模型尚有进一步改进空间。该研究为构建更稳健的、适用于化学修饰核酸的力场奠定了基础，为寡核苷酸疗法的发展提供了支持。

核酸在所有生命形式中都发挥着核心调控功能，既是遗传信息的载体，也在转录和翻译过程中扮演关键角色。近年来，核酸类疗法作为一种重要且迅速发展的治疗方式，已显示出治疗多种疾病的潜力，包括疫苗开发、癌症治疗和罕见病的精准医疗。因此，深入理解天然和修饰核酸的结构、动力学及电荷分布特性，对于推进寡核苷酸疗法至关重要。

分子动力学（MD）模拟因其高时空分辨率，成为研究核酸性质的重要工具。然而，模拟精度极度依赖于力场的质量和构象采样效率。尽管第一代核酸力场自20世纪80年代初问世以来已历经多次优化，仍难以全面准确地描述所有核酸构象，特别是在RNA/DNA杂交双链方面的建模能力仍存在局限。

过去的参数化工作主要集中于改善扭转能项，这些项对核酸构象具有决定性影响。但许多方法依赖未经充分论证的假设，例如忽略二面角之间的耦合、采用一维扫描而非整体能量面建模，或为避免内部氢键形成而人为设置非扫描角的值。这些简化处理限制了力场对结构多样性的准确再现，尤其在面对化学修饰核酸时，实验数据的稀缺进一步加剧了参数化困难。因此，亟需一种系统性、通用性的建模方法以应对这些挑战。

结果

研究人员基于提出的框架，开发了RNA与DNA的新一代力场Creyon25。其主要特点包括：

• 同时参数化所有关键的扭转角项；
• 结合高质量量子化学能量面与大量低能构象；
• 与AMBER、CHARMM等主流力场在多种评估体系中表现相当甚至更优。

在多个验证体系中表现如下：

RNA四聚体（CCCC, UUUU, GACC, AAAA）

Creyon25准确再现NMR三键耦合常数，糖环C2'/C3'内翻构象分布与实验高度一致，优于其他模型。

RNA发夹环结构（8mer, 12mer, 14mer）

Creyon25可稳定较长的发夹环构象，但对短序列（如8mer）在接近其熔解温度时的保持力有限。

RNA双链（7mer, 10mer）

在X射线和NMR结构对照下，Creyon25在2μs模拟中保持骨架稳定，RMSD低于0.25 nm。

DNA构象（A-, B-, Z-型）

Creyon25准确保持A-DNA与Z-DNA的结构特征，但在B-DNA上的RMSD偏高，说明其χ角参数偏向A型构象。

RNA/DNA杂交双链

Creyon25优于AMBER14SB，准确预测DNA链的C3'-endo糖环偏好，捕捉构象转变特征。

蛋白-RNA复合物（Ago2-RNA）

与AMBER蛋白力场兼容良好，RNA稳定性和蛋白柔性匹配实验观察。

DNA G四链体

在该结构上，Creyon25存在准确性不足，特别是在保留关键χ角构象方面，表现逊于AMBER14SB。

讨论

研究人员提出的参数化框架避免了以往常见的简化假设，如单独拟合各二面角、采用截断模型或人为设置非目标角度。该框架强调以下几点改进：

• 使用完整的单体核苷模型，包括5′/3′磷酸末端、糖环与碱基；
• 引入动态采样而非静态一维扫描，更真实地捕捉构象空间；
• 所有关键二面角项同时拟合，避免参数混用带来的非一致性；
• 每种连接体-糖环-碱基组合拥有专属参数，适应多样的化学修饰。

虽然此方法带来更高的计算代价，但其准确性显著优于传统方法。例如，Creyon25首次在MD模拟中捕捉到实验观察到的UUUU四聚体中C2'/C3'内翻平衡现象，这在以往主流力场中难以实现。同时，其在RNA/DNA杂交体系中成功再现环境依赖的糖环构象变化，验证了其通用性与适应性。

Creyon25在B-DNA和G四链体的模拟上仍有改进空间，主要由于χ角项存在能量偏差。研究人员建议引入高精度的量子采样方法（如DFT或MP2-AIMD），以进一步提升参数准确性。

此外，研究人员指出，Creyon25可与其他工具（如modXNA）协同使用，实现化学修饰核酸的高效参数生成，为寡核苷酸药物设计提供新方向。

整理 | DrugOne团队

参考资料

Liang, Chungwen, David Pekker, Alessio Valentini, and Swagatam Mukhopadhyay. "A Generalized Framework for Developing Dihedral Torsion Energy Terms in Nucleic Acids Force Fields." Journal of Chemical Theory and Computation (2025).