Magnesium-binding architectures in RNA crystal structures: validation, binding preferences, classification and motif detection

Resumo

A presença onipresente de íons magnésio no RNA tem sido há muito reconhecida como um fator-chave que governa o enovelamento (folding) do RNA, e é crucial para muitas funções diversas das moléculas de RNA. Neste trabalho, as arquiteturas de ligação de Mg²⁺ em RNA foram sistematicamente estudadas usando um banco de dados de estruturas cristalográficas de RNA do Protein Data Bank (PDB). Devido à abundância de íons Mg²⁺ mal modelados ou identificados incorretamente, o conjunto de todos os sítios foi de forma abrangente validado e filtrado para identificar um conjunto de dados de referência de 15.334 sítios de ligação de Mg²⁺ em RNA considerados ‘confiáveis’. As frequências normalizadas pelas quais átomos específicos de RNA coordenam Mg²⁺ foram derivadas tanto para a esfera de coordenação interna quanto para a externa. Um sistema de classificação hierárquica de sítios de Mg²⁺ em estruturas de RNA foi projetado e aplicado ao conjunto de dados de referência, resultando em um conjunto de 41 tipos de padrões de coordenação da esfera interna e 95 tipos da esfera externa. Este sistema de classificação também foi aplicado para descrever seis motivos de ligação de Mg²⁺ previamente relatados e detectá-los em novas estruturas de RNA. A investigação dos tipos de sítios mais populosos resultou na identificação de sete novos motivos de ligação de Mg²⁺, e todas as estruturas de RNA no PDB foram triadas para a presença desses motivos.

Abstract

The ubiquitous presence of magnesium ions in RNA has long been recognized as a key factor governing RNA folding, and is crucial for many diverse functions of RNA molecules. In this work, Mg2+-binding architectures in RNA were systematically studied using a database of RNA crystal structures from the Protein Data Bank (PDB). Due to the abundance of poorly modeled or incorrectly identified Mg2+ ions, the set of all sites was comprehensively validated and filtered to identify a benchmark dataset of 15 334 ‘reliable’ RNA-bound Mg2+ sites. The normalized frequencies by which specific RNA atoms coordinate Mg2+ were derived for both the inner and outer coordination spheres. A hierarchical classification system of Mg2+ sites in RNA structures was designed and applied to the benchmark dataset, yielding a set of 41 types of inner-sphere and 95 types of outer-sphere coordinating patterns. This classification system has also been applied to describe six previously reported Mg2+-binding motifs and detect them in new RNA structures. Investigation of the most populous site types resulted in the identification of seven novel Mg2+-binding motifs, and all RNA structures in the PDB were screened for the presence of these motifs.