三维治疗疾病超级计算机有助于解码RNA结构

治愈癌症，艾滋病毒和其他顽固疾病已经回避了几代人最聪明的头脑。但随着超级计算机 - 可以计算，分析和可视化极大量数据的计算系统 - 研究人员正在争取更好的治疗和治疗。美国国家癌症研究所(NCI)的研究人员正在美国能源部(DOE)阿贡国家实验室使用超级计算机，通过加强我们对从根本上与健康和疾病有关的生物聚合物RNA的理解来推进疾病研究。

通过与Argonne领导计算机构(ALCF)的工作人员合作，研究人员完善了一种能够准确计算RNA序列三维结构的技术。这种方法依赖于称为RS3D和Mira的计算机程序 - 世界上第九快的超级计算机 - 为研究人员提供了研究癌症和其他疾病的相关RNA的结构见解，可用于推进计算机辅助药物的设计和开发。

RNA不仅可以作为蛋白质制造的DNA解释信使，还可以在调节基因表达方面发挥多方面的作用 - 例如基因表达的时间，地点和效率。出于这个原因，研究人员正在积极寻求了解新RNA序列的功能。为了获得完整的图像，他们需要知道RNA的生物活性形式，这些形式反映在RNA序列产生后折叠成的复杂3-D结构中。

“我们已经知道RNA的基本化学基团以及它们是如何组成的，但我们不知道它们采取的构象结构是什么，”Argonne领导计算机构研究员Wei Jiang说道。在项目中领先。“获得真正的功能结构，即三维结构，很难通过实验进行，因为RNA聚合物过于灵活，”他说。“这就是我们依赖计算模拟的原因。模拟可以用来探索数百或数千种可能的构象状态，最终将我们引向最可能的三维结构。”

计算机程序RS3D由国家癌症研究所研究小组开发，由研究员Yun-Xing Wang和博士后研究员Yuba Bhandari领导，并由ALCF研究人员优化运行Mira; 在扩展RS3D代码以在Mira的大部分上运行时，Jiang发挥了核心作用，这显着改善了其性能。

作为输入，RS3D使用已知的RNA序列信息和来自小角度X射线散射的实验数据，这种技术基于X射线束产生的散射图案提供重要的结构信息，例如粒子大小和形状。应用于目标样本。通过这些输入，RS3D输出RNA的拓扑结构的低分辨率三维图像，提供最可能的折叠模式。

“由于RNA的生物活性形式是三维结构，从理解RNA的一级序列和二维布局到理解三维形态是一个很大的垫脚石，它给了我们很多有用的关于生物功能的信息，“该项目的领导者之一Bhandari说。“了解结构基础为进一步研究各种疾病中的分子相互作用和生物学途径奠定了基础。”

研究人员通过使用它来计算结构已知的18种RNA聚合物的三维结构来验证他们的技术。这些选择的RNA折叠成各种各样的结构，代表常见的折叠结构。此外，研究人员使用R3SD以及在高级光子源Argonne的同步加速器光源记录的实验数据来计算腺嘌呤核糖开关的结构，腺嘌呤核糖开关是一种已知调节基因表达的RNA 结构。

“这项技术的一个独特和有利的特点是它完全自动化，这意味着它不需要用户输入初始的3-D结构模板来工作。这使得它与执行类似计算的其他方法区别开来， “班达里说。“这有助于我们消除可能通过模板引入的任何潜在限制或偏见，并使整个方法更容易应用。”

研究人员现在正在发布他们的技术; 此后，源代码将提供给研究人员。在方法中发表了题为“使用小角度X射线散射建模RNA拓扑结构”的文章中的计算工作的简要概述。

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