Ribonucleic acids (RNAs) play essential roles in living cells. Many of them fold into defined three-dimensional (3D) structures to perform functions. Recent advances in single-particle cryo-electron microscopy (cryo-EM) have enabled structure determinations of RNA to atomic resolutions. However, most RNA molecules are structurally flexible, limiting the resolution of their structures solved by cryo-EM. In modeling these molecules, several computational methods are limited by the requirement of massive computational resources and/or the low efficiency in exploring large-scale structural variations. Here we use Hierarchical Natural Move Monte Carlo (HNMMC), which takes advantage of collective motions for groups of nucleic acid residues, to refine RNA structures into their cryo-EM maps, preserving atomic details in the models. After validating the method on a simulated density map of tRNA, we applied it to objectively obtain the model of the folding intermediate for the specificity domain of ribonuclease P from Bacillus subtilis and refine a flexible ribosomal RNA (rRNA) expansion segment from the Mycobacterium tuberculosis (Mtb) ribosome in different conformational states. Finally, we used HNMMC to model atomic details and flexibility for two distinct conformations of the complete genomic RNA (gRNA) inside MS2, a single-stranded RNA virus, revealing multiple pathways for its capsid assembly.

中文翻译：

---

分层自然移动蒙特卡罗将灵活的 RNA 结构细化为冷冻电镜密度

核糖核酸 (RNA) 在活细胞中发挥重要作用。它们中的许多折叠成定义​​的三维 (3D) 结构以执行功能。单粒子冷冻电子显微镜 (cryo-EM) 的最新进展已使 RNA 的结构测定能够达到原子分辨率。然而，大多数 RNA 分子在结构上是灵活的，限制了它们通过冷冻电镜解决的结构的分辨率。在对这些分子进行建模时，一些计算方法受到大量计算资源的需求和/或探索大规模结构变化的效率低下的限制。在这里，我们使用分层自然移动蒙特卡罗 (HNMMC)，它利用核酸残基组的集体运动，将 RNA 结构细化到它们的冷冻电镜图中，从而保留模型中的原子细节。在 tRNA 的模拟密度图上验证该方法后，我们将其用于客观地获得来自枯草芽孢杆菌的核糖核酸酶 P 特异性结构域的折叠中间体模型，并细化来自结核分枝杆菌的灵活核糖体 RNA (rRNA) 扩增片段。 Mtb) 不同构象状态的核糖体。最后，我们使用 HNMMC 对 MS2（一种单链 RNA 病毒）内完整基因组 RNA (gRNA) 的两种不同构象的原子细节和灵活性进行建模，揭示了其衣壳组装的多种途径。我们应用它客观地获得了枯草芽孢杆菌核糖核酸酶 P 特异性结构域的折叠中间体模型，并从不同构象状态的结核分枝杆菌 (Mtb) 核糖体中提炼出灵活的核糖体 RNA (rRNA) 扩增片段。最后，我们使用 HNMMC 对 MS2（一种单链 RNA 病毒）内完整基因组 RNA (gRNA) 的两种不同构象的原子细节和灵活性进行建模，揭示了其衣壳组装的多种途径。我们应用它客观地获得了枯草芽孢杆菌核糖核酸酶 P 特异性结构域的折叠中间体模型，并从不同构象状态的结核分枝杆菌 (Mtb) 核糖体中提炼出灵活的核糖体 RNA (rRNA) 扩增片段。最后，我们使用 HNMMC 对 MS2（一种单链 RNA 病毒）内完整基因组 RNA (gRNA) 的两种不同构象的原子细节和灵活性进行建模，揭示了其衣壳组装的多种途径。